摘要：先进复合材料作为航空四大结构材料之一，其在飞机上的使用比例代表着飞机制造技术的先进性水平，这主要由于其高模、轻质以及耐腐蚀等诸多优异的性能。随着高性能碳纤维树脂基复合材料逐步受到越来越多的重视，为了更全面的认知该种材料及其应用，本文着重探讨该种材料的发展情况以及基于该种材料的几种先进制造技术，并对复合材料行业的未来发展趋势做出了进一步展望。
关键词：树脂基复合材料；零件制造；航空制造
在航空航天领域、国防先进军事武器装备领域及民用耐高温等领域中，先进复合材料具备无法替代的作用，其中最具代表性的就是高性能碳纤维树脂基复合材料，分为高性能热固性树脂与碳纤维两部分组成。热固性树脂一直是电子电气、航空航天及交通运输等工业领域中的基础原材料。本文着重概括了树脂基复合材料的发展概况和成型方式，并且对其今后发展做出了展望。
1树脂基复合材料的发展历史
1.1玻璃纤维增强复合材料作为第一代复合材料，自1950年开始广泛应用于航空航天行业，被人们俗称为“玻璃钢”。其中“S玻璃纤维”即E玻纤增强复合材料表现最为突出，S-994玻纤拉伸强度可达到5000MPa，这也使得该种材料作为目前应用最广泛、技术最成熟、成本最低的复合材料之一。
1.2碳纤维树脂基复合材料代表第二代复合材料，通过将常用工程材料与碳纤维复合材料进行对比，我们能够清楚地发现该种材料的强度和模量远大于普通工程材料，这些优点使其作为一种高性能工程复合材料而被广泛使用。
1.3有机纤维增强复合材料是第三代树脂基复合材料的代表，最典型的代表Kevlar（芳纶）纤维复合材料。其弹性模量、比拉伸模量是玻纤的两倍，并且价格低廉，是目前最有前景的增强材料之一。
1.4美国Allied公司研制的超高强度、超高模量、高拉伸聚乙烯纤维是第四代树脂基复合材料的代表，最经典的就是Spectra-1000，主要用于超轻质功能结构材料和超轻质复合结构材料。
1.5日本研制的聚苯并双噁唑（PBO）纤维增强复合材料是第五代树脂基复合材料。虽然尚处于实验室阶段，但从长远来说，使最耐高温和力学性能的一类新型潜能材料。此外，还包括有C/C基、陶瓷基、纳米基复合材料及聚合物基复合材料等其他种类。
2先进成型技术
众所周知，通过设计树脂基体来满足不同的材料体系的需求。然而，树脂基复合材料对成型工艺依赖性更强，我们要兼顾材料成型加工的可行性和性能。故而采用不同的材料体系，所涉及的成型方法便不同。接下来介绍了近年来除了热压罐技术之外的几种成型技术。
2.1 LCM（Liquid Composite Molding）
LCM一般指的是液体模塑成型技术，具体是闭合模腔中预先铺设一层纤维预成体，后将液态聚合物注入模腔中或加热融化，顺利完成对树脂/纤维的浸润，后经固化成型的技术。该技术已经应用于加筋、夹芯等大型构件。根据设计的要求铺放碳纤维，且成本低、投资小是这种成型技术的主要优势。
2.2 LCM技术分类
LCM工艺技术大致由树脂膜渗透成型、真空辅助传递树脂模塑技术、树脂浸渍模塑成型、树脂传递模塑技术及结构反应注射模塑成型技术构成。
（1）树脂传递模塑技术
树脂传递模塑是指将树脂注入闭合磨具的同时，浸润增强材料完成固化的工艺方法。最初应用于飞机雷达罩、整流罩，随后应用于飞机机翼框以及汽车的保险杠等。RTM的优点在于：①操作简单；②适用于制造复杂、准确的制品；③表面光滑性高的产品。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆尽管RTM具有很多优点，但其工艺缺点也很显著，诸如：①模具难以选择；②很难排净模腔中气泡、纤维浸润性差；③树脂流动性不好等。当然，我们有理由相信，随着现代技术的快速发展，RTM技术必将成为复合材料行业将来最有潜力的成型工艺之一。
（2）真空辅助树脂传递模塑
针对RTM在注射模腔内产生气泡，最终影响树脂在模腔内浸渍的问题，开发了新技术VATRM，首先在模腔内抽真空，后注入树脂，通过内外压差将树脂压入的工艺，称为VARTM。其优点在于：①可提高玻璃纤维与树脂的比率；②树脂注入过程中压力相对较低。缺点为：在制备大型制件的过程中浸润速度较慢、成形周期长等。
（3）树脂浸渍模塑成型
SCRIMP指的是新型的真空辅助注射技术，具体为：将增强材料预铺在模具型面上，再密封型腔边缘，抽真空后树脂通过内外压力差分配系统压入模腔内。主要优点在于在厚度方向通过压力作用保持缓慢的浸润，降低了缺陷产生的可能。广泛用于大型平面、加筋异型构件等制品的生产过程中。
（4）树脂膜渗透成型
RFI是纤维缝编和树脂融渗技术结合的技术。将稠状树脂块预先安放在成型模的底部，再覆盖预成型坯，按照真空袋成型工艺进行封装，在高温环境下将树脂自下而上进行抽吸真空，固化成型。相比于RFT的优点：①存贮运输方便；②成形压力低；③成型设备较为简单；树脂挥发少。其不足在于不适合于制造形状较为复杂的小型制件；无法满足精度较高的要求。
（5）结构反应注射模塑成型技术
SRIM工艺是首先把长纤维增强垫预置在模具型腔中,再利用高压计量泵提供的高压冲击,将两种单体物料在混合头混合均匀,在一定温度条件下注射到模具内,在模具内固化成型制品的工艺。与RTM工艺相比的优势主要体现在:①RTM反应的活化是通过加热使物料活化,而SRIM是通过混合、高压碰撞使其活化;②RTM充模时间长,而SRIM充模时间短;③RTM在注射前预先通过静态混合器混和,SRIM则通过高压碰撞在混合头混合,混和同时注料;④RTM注射压力低、注射量较小,SRIM注射压力高、注射量大;⑤RTM成型周期长,SRIM成型周期短。缺点为:①纤维经常外露;②流动速度快,常形成空穴区;③反应体系有水放出,会在制品表面留下气孔。
总的来说，最近几年RTM、VARTM、SCRIMP、RFI、SRIM成型技术飞速发展，是制备低成本、高质量复合材料制件的主要方法。除此以外，电子束固化技术、纤维缠绕复合材料成型等新兴技术也在迅猛发展。因此我们相信未来复材成型技术一定是国内研究的重点领域之一。
3高性能碳纤维树脂基复合材料今后的展望
未来先进碳纤维树脂基复合材料的发展方向为：
（1）开发具备自修复、低碳环保及更高耐温的树脂基复合材料；（2）新型成型技术以及在线监控技术等研究；（3）重视制造技术创新研究以及模具设计技术，主要是自动铺带技术和自动铺丝设备等；（4）强调低成本制造，低废品率，强调发展“实用化”技术。重视发展通用的复合材料树脂体系和通用制造技术，形成完备先进的复合材料技术体系。
结论
作为最具代表性的材料，高性能碳纤维树脂基复合材料不仅在航空航天，而是在民用等各个领域中都占据着越来越重要的地位。本文旨在介绍碳纤维树脂基复合材料及先进的成型技术，并对其未来发展做出了展望。低成本，高性能是未来材料的发展的趋势。只有开发出高性能碳纤维树脂基复合材料和先进技术，才能推动工程制造方面的应用与进展。
参考文献
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论文作者:包书巍
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/29
标签：复合材料论文; 树脂论文; 技术论文; 材料论文; 碳纤维论文; 高性能论文; 纤维论文; 《建筑学研究前沿》2018年第27期论文;