某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

文|南石叙

编辑|南石叙

高分子基复合材料的制造工艺具有很高的重要性，它能够影响复合材料的结构、性能和应用。利用不同的制造工艺和方法可以实现不同的纤维增强体和树脂基体的结合方式，从而调控复合材料的力学性能、热性能、电性能、耐腐蚀性能等。并且还可以实现复合材料的功能化，例如导电、导热、生物医用等，拓展其在各个领域的应用范围。

高分子基复合材料的制造与传统金属材料的制造毫无关系， 可以说两者没有任何联系。除少数产品以外，金属材料的制造基本上是原材料的制造，其所有的产品都是利用金属材料加工制成的。

与此相比，大部分高分子基复合材料的制造，实际上是把复合材料的制造和产品的制造融合为一体。高分子基复合材料的原材料是纤维等增强体和高分子基体材料。其制造主要涉及到怎样把纤维等增强体均匀地分布在基体的树脂中，怎样按产品设计的要求实现成形、固化等。

因此，与金属材料的制造相比，高分子基复合材料的制造有很大的灵活性。根据增强体和基体材料种类的不同，需要应用不同的制造工艺和方法。高分子基复合材料的制造方法有很多，常见的主要制造方法分为两类。

一类是热固性复合材料的制造方法，其中主要有手工成形法，喷涂成形法，压缩成形法，注射成形法，SMC 压缩成形法，RTM 成形法（注塑成形法），真空热压成形法，连续缠绕成形，连续拉挤成形法。

另一类是热塑性复合材料的制造方法，类似于这种的方法其中主要有压缩成形法，RTM 成形法，真空热压成形法，连续缠绕成形法等由此可见，两类复合材料的制造方法有很多是类似的。

每种方法都有自己的独特性，使用时可以材料的种类来挑选不同的方法。但在面临不同的材料，就需要不同的方式来加工。本文将会详细的介绍这些制造方法。

手工成形法是高分子基复合材料制造的最基本的方法，多用于玻璃纤维或聚酷树脂复合材料的产品制造。

这种办法以玻璃纤维布或片材和聚树脂为原材料。在根据产品的形状制造的底模上，先涂上一层不粘胶后，拿出一块玻璃纤维布，再用刷子或滚轮等工具将树脂涂抹在玻璃纤维布上，使树脂均匀地渗透到玻璃纤维布里。

与其他的制造方法相比，手工成形法的特点是设备，工具等成本低，能用长纤维布和短纤维布，能适应各种形状产品的成形。

喷涂成形法是在人工铺层涂抹成形法上改进的一种成形法。这种办法得使用自动切断纤维和树脂的自动化喷枪。

它是利用自动化喷枪，将自动切断的短纤维和树脂一起喷涂在底模上来实现积层。与手工成形法相比，喷涂成形法省略了人工铺层涂抹的过程，易于实行自动控制生产。但是，它仅适用于制造短纤维增强复合材料制品，与手工成形法类似。

这种方法比较简单，只需要将材料放到最底部，然后将其加压加热，让它成形并固化。在实际制造中还需要考虑到压模的空气出口，多余纤维和树脂的出口等。此外，根据基体材料的不同，需采用不同的加压、加热过程。

利用压缩成形法制造复合材料时，需要的基本设备是一台压力机，其次将纤维和树脂等放入底模时，需要预成形，有时也使用一台预成形机。另外，根据树脂的固化条件，有时需要一固化炉。

压缩成形法的特点是可制造大型产品，含纤维量高的产品，高强度产品，可用于制造热固性复合材料和热塑性复合材料，短纤维增强复合材料制品用得较多。

与压缩成形法不同，注射成形法是先将底模固定、预热、然后利用注射机械在一定的用力条件下，通过注入口将所需要的材料，例如增强材料的纤维和树脂等，一起挤压入模型内使之成形。

因此，也称其为挤压成形法。在实际制造中还需要考虑到注射机注入口模型的空气出口，也有采用抽真空的方式来排除空气。

注射成形法不需要预成形，需要的基本设备是一台注射机，可用于制造短纤维增强的热固性复合材料和热塑性复合材料，特别是热塑性复合材料的产品多采用此成形法。注射成形法的特点是易于实现自动化，易于实现大批生产。

因此，汽车用短玻璃纤维增强复合材料产品多采用此成形法生产。注射成形法制造的产品的纤维含有量不高，一般（体积分数）为 20%一50%，多数在 20%~40%之内。此外，纤维和树脂的这两种混合物需要在模型内进行排列，一旦产品的质量不合格，就会导致注射机的注射口磨损。

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SMC 压缩成形所需要的基本设备是一台压力机和一台片材裁机。如果预制片也是自家制作的话，可以在预制片制作的同时，将其裁剪为所需要的尺寸。

先将裁剪、计量好的 SMC 片材置放入预热好的模型中，然后通过加热、加压的方法让模型中的预制片进行流动，直到模具内充满后，再加热、加压固化。

加压时的空气排出方式有利用排气口的方式，也有抽真空的方式。加压时的速度和加温的过程对产品的成形有很大的影响，应充分注意。

由此可见，SMC 压缩成形法基本上也是一种压缩成形法。虽然工艺流程看起来比较复杂，其实由于它分为两步来做，而且易于实现自动化，实际的工艺流程是比较简单的。

SMC压缩成形法生产的产品尺寸精度高、表面光滑、强度较高。但是其初期设备投资较大，适用于大批量生产。因此，电器产品，汽车的复合材料产品多用这一成形法制造。

RTM成形法主要分为五步。第一步是增强纤维的预成形片材的制作；第二步是将纤维的预成形片材铺设在模型中；第三步是给模型加压，使铺设好的纤维预成形片材在模型内按产品形状预成形；第四步是利用低压（约 0.45MPa），将树脂注入模型，让其充分填满整个材料；第五步是在模型内加热固化。

在注入树脂的过程中，为使树脂更快地、均匀地浸透到纤维的预成形片材中，也有使用将模型中抽真空的VRTM （Vacuum-assisted RTM）成形法（真空辅助RTM成形法）。RTM 成形法与前述的注射成形法有些相似。

但是，注射成形法是将纤维和树脂的混合物一起注入空的模型中，仅适用于短纤维复合材料制品。而 RTM 成形法多用于长纤维复合材料制品，这个方法是先将纤维的预成形片材在模型中预成形后，再注入树脂使之一体化。

因此也可称 RTM 成形法为注塑成形法。由于 RTM成形法只需将树脂注入到模型内，因此它需要的压力比注射成形法小的多，注塑装置的成本也低得多。

RTM 成形法与其他的成形法相比有很多优点:成本低，产品尺寸形状稳定，质量高，可适应多种热固化树脂和热塑性树脂，可适应两种以上的不同增强纤维的组合复合材料的成形，也可适应多种二维编织和三维编织的复合材料制品的成形。因此，可以说 RTM 成形法是很有发展潜力的成形法之一。

真空热压成形的这种办法主要是用来配合长纤维复合材料使用的，利用预制片和树脂等材料，将其通过加热加压或真空包装的办法凝固成形。

一般，未固化的碳纤维或树脂等片材可在许多纤维生产的厂家购买到，也有许多大型的复合材料厂家自己生产预制片。预制片可在冷冻柜里保存，根据树脂的种类保存期有所不同，几个月至半年或一年51漫画。黑色的部分是预制片，夹在两层防粘纸间，卷在一硬纸筒上。

用真空热压成形法制造平板以外的产品，如制造有曲线等部分的产品时，需要先制造底模。底模与复合材料制品之间一般用防粘薄膜（如聚四氟乙烯薄膜），防止底模与复合材料制品粘连。

在铺层的过程中，应尽可能保持周围环境的清洁，以免灰尘等混入层间引起层间强度的下降。真空包袋过程要保持达到成形所要求的真空度，以保证产品的质量。如果真空度达不到成形的要求，层间的空气排不出来，由此在产品中会产生较多的空洞。

真空热压成形法的加热、加压过程主要根据基体材料树脂的种类而定。真空热压成形法的加热、加压的设备主要有两种:台种是加热、加压釜（Autoclave）；另一种是热压机（Hot press）。

加热、加压容器是利用蒸汽和压缩空气加热、加压的，也有一种简易的加热、加压容器是利用电热板加热。热压机是利用油压或水压来加压，利用电热板加热。左下深颜色的圆筒状物体是空压机，中间是加热、加压釜，右边的是加热控制系统。

这种办法相比于其他办法而言，成本会比较高。但这些产品的成形必须用到热压机，这样才能保证质量没问题，空孔的几率也会低。所以，这种方法经常用于宇宙航空工业。

连续缠绕成形法是一种制造筒状复合材料制品的特殊成形法。其工作原理是将经过树脂浸渍过的纤维，通过纤维输出梭子送出，随着梭子的移动和转筒的旋转，将纤维连续缠绕在转筒上，直到达到需要的厚度。

缠绕的角度可由转借的旋转速度和梭子的移动速度来调节，根据产品的要求可以不同。很明显，连续维绕成形法也是一种连续纤维增强复合材料的制造方法。它需要的基本设备是连续缠绕机，有点类似于机械加工用的车床。

纤维的树脂浸渍方法主要有两大类：一类是通过树脂浸渍过的滚子；另一类是直接通过液体的树脂。滚子式的纤维树脂浸渍方法用得较多，树脂浸渍量易于控制。固化过程根据树脂的种类而定。

如果是室温固化，可以等固化后将产品从转筒上取下来。如果另需要加热或加压，就要将缠绕好的产品取下来，然后送到固化炉去加热或加压固化。

综上所述，笔者认为：高分子基复合材料的制造工艺和方法各具特色，能够提高复合材料的加工效率和降低成本，实现复合材料的快速原型制造和定制化生产，是当下需要深入研究的重要课题之一。