高性能復合材料在要求同時具有質(zhì)量輕和高強度的應用領域毫無疑問地贏得了重要地位。然而，這種材料必須比現(xiàn)有工藝的成型速度更快，成本更低。 

　　預浸料的問世避免了一度成為標準工藝的、冗長的手工濕法手糊工藝，并且可以改善產(chǎn)品質(zhì)量和一致性。因此，產(chǎn)品固化環(huán)節(jié)成為整個生產(chǎn)過程的焦點，特別是如何避免使用熱壓罐固化，因為購買和使用熱壓罐的成本都非常高。于是既可以加快生產(chǎn)速度、節(jié)約成本，又可以使產(chǎn)品保持與熱壓罐工藝相同質(zhì)量的非熱壓罐（OoA）工藝成為復合材料行業(yè)的新寵。 

　　代替熱壓罐的方法包括：真空袋法、滾壓法、壓力袋法。其中，真空袋法最受關注。該工藝是在抽真空的情況下形成最大為1個大氣壓的壓力，在固化爐或加熱模具上固化成型高質(zhì)量產(chǎn)品，而不像傳統(tǒng)熱壓罐法，所需壓力幾乎要達到10個大氣壓。這就要求預浸料能夠在低溫、低壓條件下固化，生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品。 

　　早期曾試圖在固化爐中成型幾乎沒有改性的熱壓罐成型用預浸料，但是沒有取得成功。于是工程師們開始致力于開發(fā)可以在低溫下固化的樹脂體系，固化溫度通常低于100℃。這種第一代OoA預浸料只適用于制作原理樣機和便宜的模型。然而，用21世紀初開發(fā)的OoA體系可以生產(chǎn)出高質(zhì)量無孔隙的產(chǎn)品，可以與熱壓罐工藝相媲美。 

根據(jù)瑞典聯(lián)邦技術研究院機械和工藝工程部的BryanLouis介紹，這種低孔隙率特性非常關鍵。他說，材料制造商花了很多年研究空氣和氣體的束縛機理，以及如何在真空固化成型時驅(qū)除它們。現(xiàn)在很明確，與熱壓罐工藝通過壓力將空氣和可揮發(fā)性物質(zhì)在樹脂凝膠時壓入樹脂液中相比，OoA方法是在凝膠前，在很低的壓力下（如1個大氣壓）將空氣和揮發(fā)性氣體趕出。這就要求預浸料具有透氣性，且樹脂在凝膠前能保持足夠的空隙。因此，合理調(diào)整樹脂體系的流變性至關重要。 

材料的物理組成也非常重要。開發(fā)人員嘗試了多種材料構(gòu)造方式，包括通過部分預浸玻璃纖維氈而形成空氣通道。剩下的干燥區(qū)域只在樹脂膠凝開始時才被浸漬。 

行業(yè)先鋒 

　　Umeco旗下的先進復合材料集團（AdvancedCompositesGroup，簡稱ACG）在開發(fā)OoA預浸料工藝上做了很多工作。ACG意識到，開發(fā)固化溫度低于熱壓罐溫度（180℃）的樹脂體系對于采用技術水平相對較低的固化爐或加熱模具來取代熱壓罐而言非常關鍵。然而，這樣會導致最終產(chǎn)品的性能略有下降。 

　　ACG是開發(fā)低溫成型預浸料的先驅(qū)。他們的LTM®低溫成型預浸料在幾個重要項目中得到應用，如：美國X系列樣機、著名的波音X45A和X34及諾斯羅普·格魯門公司（NorthropGrumman）的X47A無人戰(zhàn)機。LTM預浸料可以在40℃的低溫下固化，如果在初步固化后進行后固化處理，制品的玻璃化溫度Tg可達180℃。LTM還用于汽車車身板、賽艇、風力發(fā)電機葉片、模具和基礎設施。第三代LTM產(chǎn)品LTM310是一種適用OoA固化成型工藝的很好的模具材料，而第一代和第二代LTM在用于模具制作時通常需要通過熱壓罐固化。盡管初始固化溫度只有65-70℃，LTM310的最高使用溫度可達180℃。 

　　應用研發(fā)高級工程師DavidBashford稱，該公司研發(fā)的其他用于OoA工藝的預浸料可以達到航空要求，如空客A350XWB客機的副翼板。在航空領域最受歡迎的是ACG的中溫固化預浸料（MTM），固化溫度約為90℃。例如，MTM45-1是一種第二代增韌環(huán)氧樹脂體系，在90℃固化后，再進行后固化處理，Tg可達185℃。這種材料已經(jīng)用于維珍銀河/ScaledComposites公司的“太空船二號”和“白色騎士二號”，據(jù)說是采用OoA固化的最大航空結(jié)構(gòu)件。制品的孔隙率小于0.5%。 

　　該公司的另一產(chǎn)品是可變固化溫度系列預浸料（VTM?），適用于在65℃-120℃用OoA工藝固化。在21℃下，這種預浸料的儲存期可以達到21~28天，非常適合生產(chǎn)大型結(jié)構(gòu)部件。這對于生產(chǎn)高質(zhì)量的海上賽艇和快艇的殼體和甲板結(jié)構(gòu)非常有利，可以采用加大型固化爐，從而擺脫熱壓罐的限制。阿靈基隊（TeamAlinghi）在2003年美洲杯的挑戰(zhàn)賽中采用了VTM264碳纖維單向環(huán)氧預浸料賽艇。VTM也被用于制作限量版超級賽車的車身板和道路橋梁支柱。 

　　Bashford列舉了OoA的潛在優(yōu)勢，包括：避免采用熱壓罐從而節(jié)約成本，節(jié)省能源，提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)靈活，可生產(chǎn)超大型制品，減少夾心結(jié)構(gòu)中芯材塌陷和壓實，降低模具成本。因此，在未來幾十年里，OoA預浸料在復合材料中的應用將不端增長。僅僅在航空領域，已經(jīng)有很多積壓的新一代燃油經(jīng)濟型飛機訂單。而風能、船舶、汽車對復合材料的需求也不端增長。 

　　“如果預浸料在復合材料中使用的預期增長率為10%-15%，”Bashford說，“那么，將沒有足夠的熱壓罐可以滿足生產(chǎn)需求。投資成本將會高不可及，更會讓熱壓罐隨處可見”。 

　　有趣的是，另一家OoA技術的領先企業(yè)氰特工程材料公司（CytecEngineeredMaterials）已經(jīng)完成了對Umeco結(jié)構(gòu)材料（UmecoStructuralMaterials）的收購。在過去十年中，氰特公司的CYCOM5215材料獲得了與熱壓罐成型預浸料相近的性能。然而，美國航空航天和國防界認為，在生產(chǎn)大型部件時，這種材料的儲存期還不夠長。但是氰特公司用它的CYCOM5320產(chǎn)品進行了回應，該系列的使用期（outlife）至少有30天。CYCOM5320OoA材料在美國的展示項目中得到廣泛評價，并被龐巴迪公司選擇用于其最新型噴氣式商用飛機Learjet85的機翼和機身。 

　　原材料生產(chǎn)商固瑞特公司（Gurit）的復合材料成型工藝經(jīng)理ChrisBunce說，OoA預浸料與公司要求通過材料、工藝和儲存環(huán)節(jié)降低成本的需求一致。但這種低溫低壓固化工藝雖然非常重要，卻也并非唯一的需要。 

　　“過去，限制OoA預浸料廣泛應用的因素包括有限的使用期、操作問題、成本太高、需要控制儲存溫度等。”Bunce解釋說，“過去幾年我們已經(jīng)突破了這種障礙。目前，我們有一種材料正在測試中，其室溫儲存期有望達到5-6個月，無需冷藏，節(jié)省了標準預浸料儲存的主要費用。” 

　　用于風電和船舶的預浸料是固瑞特尤其擅長的產(chǎn)品，可以滿足100℃以下的固化要求。例如，SE70和SE85材料的目標市場是船舶制造，固化溫度為設計所推薦的70℃和85℃。這種材料需要添加一種先進的催化劑，這會增加一些成本，但是造船廠對這種預浸料所帶來的低成本成型工藝非常歡迎。類似地，SparPregTM材料用于風電葉片可以生產(chǎn)高質(zhì)量玻璃纖維、碳纖維混合單向橫梁蓋，固化溫度為80℃。 

　　Bunce介紹說：“一個最大的問題就是放熱。特別是風電葉片，其局部非常厚，環(huán)氧樹脂固化時由于加熱速率失控，固化產(chǎn)生的熱量會影響固化周期。我們努力開發(fā)低固化溫度、低放熱樹脂體系。在今年的JEC展覽會上，我們推出了可以在100℃快速固化的Velinox改性環(huán)氧樹脂。”這種低放熱樹脂基預浸料允許固化時采用快速加熱方式升溫，從而縮短生產(chǎn)周期。在固化過程中保持中等溫度，以控制合理的放熱量。而且，這種預浸料可以在35℃儲存，無需冷藏。” 

　　固瑞特也有一種控制孔隙率的新方法。Bunce說，大部分空隙存在于層間，由預浸料鋪層時帶入。通常通過低溫鋪層、降低黏性來降低材料粘性。這就要求生產(chǎn)場所配置空調(diào)，從而導致增加成本。為了解決這一問題，固瑞特開發(fā)了一種AirstreamTM技術，在預浸料表面涂覆一層特有涂層，以減少預浸料表面粘性，并在固化前將內(nèi)部束縛的空氣排出。在固化時，涂層會被復合材料所吸收。 

　　2012年7月在美國亞特蘭大國際風能大會（WindPower2012）上，固瑞特推出了一種結(jié)合了Airstream和SparPreg技術的預浸料。這樣，葉片制造商就可以用高性能玻璃纖維和碳纖維制造高性能單向橫梁蓋。這種體系在不使用冷法成型、不采用熱壓罐固化時，也可以生產(chǎn)低孔隙率產(chǎn)品，省略了其他繁雜的工序，提高了生產(chǎn)速率。固瑞特公司認為，通過改進OoA工藝，增加了預浸料與灌注工藝的競爭力。 

　　固瑞特近期推出的另一種OoA預浸料是RENUVOTM。它是專為風力發(fā)電葉片和其他結(jié)構(gòu)件的修復而研發(fā)的。采用的是一種可以在大功率紫外燈照射下，幾分鐘內(nèi)就可以固化的專用樹脂，因此，技術人員可以在現(xiàn)場修復產(chǎn)品。 

　　總部位于美國的復合材料公司赫氏（Hexcel）也認為OoA預浸料是一種理想的技術。2012年，公司研發(fā)經(jīng)理ChrisShennan博士在美國圣地亞國家實驗室的風電葉片廠（SandiaWindTurbineBladeWorkshop）所做的報告中介紹說，其固化溫度可以降至70-80℃，放熱低于100J/g，使得玻璃纖維和碳纖維預浸料非常適合于葉片生產(chǎn)。在熱壓罐不適于生產(chǎn)大型葉片的情況下，OoA預浸料工藝比灌注工藝更具有競爭力。盡管現(xiàn)有的樹脂對碳纖維也能充分浸漬，然而合理的材料鋪層設計可以將孔隙率將至最低。ChrisShennan說，這種預浸料甚至可以用于生產(chǎn)非常厚的結(jié)構(gòu)部件。 

　　赫氏說，OoA預浸料已經(jīng)獲得航空航天界的認可。他們專門用于OoA工藝的Hexply®M56預浸料，提供多種增強材料種類，既可用于夾芯結(jié)構(gòu)，也可用于單一結(jié)構(gòu)。采用真空袋（VBO）固化的專門樹脂，增強材料包括碳纖維單向帶、碳纖維或玻璃纖維織布，以及金屬網(wǎng)。室溫下儲存期為30天，-18℃的儲存期為12個月。 

　　利用OoA預浸料工藝所生產(chǎn)制品的纖維含量只略低于熱壓罐固化制品，都超過50%。赫氏公司表示，他們的Hexply產(chǎn)品已經(jīng)在自動鋪放（AFP/ATL）實驗中獲得成功，實驗證明，該材料可以被充分浸漬，并且具有透氣性表面。自動化生產(chǎn)在長周期生產(chǎn)中的運用似乎必將成為一種趨勢，它既可以保證質(zhì)量的一致性，也可以縮短生產(chǎn)周期，一旦初期投資成功收回，生產(chǎn)也將更具經(jīng)濟性。 

飛機制造商推動工藝發(fā)展 

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