SCRIMP成型工藝及其在船舶和基礎工程領域的應用

　　複合材料在艦船領域應用越來越廣泛，由於玻纖增強塑料的無磁性和較高的衝擊韌性，在抗震、防磁等方面能較好地滿足軍艦的使用要求。許多先進艦船武器型號大量採用其製造外裝件、結構件和功能件。目前國際上80％以上20m左右的艦船體都是應用GFRP製造的。此外，各種複合材料還廣泛應用於製造近海平台的上層建築及海洋工程結構。 　　近年來．SCRIMP成型工藝在製造大型船舶部件領域得到了廣泛的關注和應用。SCRIMP工藝是液體成型技術(LCM)的一種，該工藝為大型船舶製品的低成本製造提供了嶄新的思路和解決方法。 1、SCRI MP工藝及發展概況 　　SCRIMP成型技術(Seamann Composites ResinInfusion Mnufacturing Process)是一種新型的真空輔助注射技術(VART M)，是美國Seemann Comp．osites公司註冊的專利技術l1"2 J。根據促進樹脂流動的樹脂分配系統不同，分為滲透介質型SCRIMP和溝槽型SCRIMP E 。滲透介質型SCRIMP是在模具上鋪設樹脂滲透介質和可浸透的薄膜剝離層來實現的，這種形式由於設計的靈活性和可成型形狀複雜製品而非常通用。但其缺點是：充模速度較低，加工材料如高滲透介質、剝離層等材料不易回收，增加了製造成本；溝槽型SCRIMP是在低密度泡沫芯材上刻槽以加速樹脂流動，使其成為最終製品的一部分，這種形式樹脂在溝槽中的充模速率較高，並減輕了部件重量、減少材料浪費。　　從目前船舶部件成型可選擇的技術來看，RTM這種閉模成型工藝一直為人們所廣泛關注，但針對小批量大型部件，因需要注射設備和複雜的對模(模具要承受樹脂的注入壓力)，並受到材料品種和性能限制，傳統的RTM工藝在價格上投有競爭力。人們採用這種辦法，很難將製品的缺陷降低到一個可以接受的水平，而且難以成型大尺寸及厚壁製品。對於小批量大型部件，採用一種真空注入方法，即採用真空吸力作為推動力使增強材料得到浸漬，其起源是40年代的Mareo法 J 經過若干年的研究開發，真空注射工藝已成為一種經濟實用的方法，目前市場上可以找到多種工藝方法，如SCRIMP方法、快速鑄塑VARTM法(Quick Draw VARTM)、樹脂注入迴流法(Resin Injection Recirculation Method)以及快速真空法(Prestovac Method)等，SCRIMP是其中最具代表性的一種。 　　SCRIMP工藝在80年代末開發出來，1990年最初獲得專利，但當時公眾反應平平，沒有實現預測的商業利益。直至1996年SPI複合材料年會上得到人們的首肯，該工藝開發的鐵路車廂、海洋護欄獲得了開發優秀獎。美國國家標準與技術研究機構(NIST)提供了1350萬美元支持SCRIMP閉模技術開發，由Hardcore DuPont Composites LL承擔，項目的目標是經濟有效地將先進的複合材料製造技術從軍事領域轉向商業市場。目前，人們普遍認為SCRIMP技術是複合材料行業打開民用基礎工程領域的一種非常有意義的嘗試。 2、SCRIMP工藝的技術優勢 　　SCRIMP工藝之所以得到長足發展，是由於其無以倫比的綜合技術優勢。該工藝方法靈活，真空袋壓法能夠成型的部件採用該工藝都可以成型。由於精心設置的樹脂分配系統，使樹脂膠液先迅速在長度方向上充分流動填充，然後在真空壓力下在厚度方向緩慢浸潤，大大改善了浸漬效果，減少了缺陷發生，使模塑部件具備很好的一致性和重複性。與開模工藝相比較，從理論上講，該工藝一次成型製品的面積與其相近，面積甚至達到10～l00m2 、長度20m的大型部件。目前製造製品面積可達到185m2 ，厚度為3～150mm，纖維含量(重量)達70～85％ ，孔隙率低於1％ ，樹脂浪費率低於5％ ，節約勞動成本50％以上，所以該工藝屬於一種低成本製造技術。該技術更適合於製造艦船用高品質的大型構件。製品具有耐海水腐蝕性好、抗衝擊性強和層間剪切強度優良等優點。 3、原材料及輔助材料　　3．1 樹脂體系 　　該工藝對樹脂體系的要求是粘度低、使用期長、放熱峰適中。選用的樹脂品種不同，對製品的機械性能影響較大。樹脂的模量和破壞應變也會引起複合材料性能的差異 。可採用的樹脂有不飽和聚酯、乙烯基樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂等。DCPD改性的低苯乙烯樹脂應用效果較好，可得到收縮率控制較好的製品。乙烯基樹脂由於較好的物理性能，一般應用于海洋、建築和交通領域。各種改性和混台型乙烯基樹脂在該工藝中應用良好。環氧樹脂最好不含稀釋劑，否則會對製品性能有影響，而不含稀釋劑的環氧樹脂，室溫下粘度較高，注人和固化時間較長，一般通過提高環境溫度來提高效率。　　3．2 增強材料 　　各種型式的增強材料，從短切原絲到織物，如無捻粗紗織物、加捻織物、斜紋布、雙向縫合織物等都可以應用到該工藝中，應用的織物面密度最大至87kg／m 。增強材料以於態按具體性能要求鋪放到模具中J。　　3．3 真空袋膜 　　聚丙烯膜是最常用的真空袋膜，為提高其耐熱性需對其進行改性(即共聚)，使其具有彈性和較高的可成型性、抗穿刺性，可以在形狀複雜的模具上拉伸，無摺疊和褶皺，真空效率較高。這類薄膜也適用於預混料和濕法鋪放系統。 　　3．4 有孔脫模膜 　　它由改性聚丙烯製成，分硬膜和彈性膜二類。前者適用於平板或形狀不複雜的模具，後者適用於形狀複雜的模具。尺寸為lm x(200—400)m，延伸率為100～300％，可在120～125℃下使用，具有良好的機械性能和高溫性能，具有天然的自脫模性能。為使其能與吸膠織物或防護膜粘接，有時對其一面進行處理。　　3．5 膠粘帶 　　膠粘帶是一種丁基橡膠的真空袋密封劑，具有高彈性和膠接性，並有優異的密封性能，可以消除開始鋪放真空袋時產生的密封缺陷，因此可提高真空效率。它適用於聚酯、乙烯基酯和環氧樹脂模塑系統。　　3．6 樹脂滲透介質 　　瑞典的Bofors公司用穿刺纖維布作為樹脂分散介質。英國的Scott Bader樹脂公司和荷蘭的DSM樹脂公司用一種帶有網狀凸起的膜作為樹脂分配介質。中空的螺線管和窗紗布也是較常用的滲透介質。 4 、主要工藝參數的確定 　　儘管真空注射模塑雖然與RTM工藝相似，但由於聚合物柔性膜及流動增強層的引人，直接應用RTM知識存在一定困難。要熟練掌握該模塑工藝，需要徹底了解過程中各個工藝參數。　　4．1 增強材料的壓實 　　RTM工藝千纖維的壓實壓力可高達1MPa，而SCRIMP的壓實壓力較低，需研究層數、鋪層順序和壓實速度變化時壓實特性。　　從不同鋪層情況的試驗結果可知，壓實壓力低時(≤0．1MPa)，壓實速度為2mm／min時，層數和鋪層順序對壓實特性基本無影響。但是對濕態增強材料，壓實特性受鋪層順序影響。在濕態條件下壓實壓力相同時，交叉鋪層方式可能會導致纖維體積分數提高。但在保持體積分數不變時，壓實壓力有所下降，這是纖維開始重新排列及少量纖維與模具接觸的結果。Pearce和Summerscales在模擬RIFT和RTM工藝進行壓實試驗時，也證實了這一結果。按照作者的看法，為了達到規定的纖維含量，在RTM工藝中閉合模具時須採用逐步載入的方式，但對真空注入工藝，並不直接採用這種方法。為達到相同的結果，常採用一種替代方案，即在開始注入之前，儘可能長時間抽真空，以減少注入過程發生的松馳。　　4．2 滲透係數 　　滲透係數是描述增強材料工藝性能的參數，滲透係數k是多孔介質特定性能，如孔隙率、纖維的形狀和定向、與液體接觸的表面積、孔隙的尺寸分布等的表徵。在該工藝中滲透係數是的一個重要工藝參數。Gebart在他的研究工作中，測定了單向增強材料的滲流係數。Lundstrom和Gebrat對滲透係數的標準測試方法給予了詳細分析，很多模擬方案採用了Kazenv—carman模型來表達滲透係數。 　　在現有的模塑模型中，均假定纖維的體積分數為常數。而對SCRIMP工藝，由真空袋的柔性特徵，使滲透係數測定更加困難，這是由於柔性真空袋能引起纖維體積分數改變所致。因此，就不可能應用現有的模型。由於流動增強材料的存在增加了最終製品的厚度，影響了滲透係數，而增強材料層的浸潰主要在厚度方向上發生。 　　Kim等進行了橫向流動試驗，他們增加纖維氈層數，結果降低了滲透係數。他們認為這種現象是由於相鄰纖維氈界面的阻擋作用引起流體流動路徑彎曲造成的。此外(Wul4)等發現鋪層順序不同也導致滲透係數的差異。按照他們的結果，鋪層順序影響滲透係數的可能有二種原因：①纖維增強材料鋪層順序不同，可能使其壓縮特性不同，因而使滲透系統不同，這對充分浸潤樹脂的增強材料是正確的；②在不同類型纖維氈之間存在一個界面，在界面層的流動特性與其相鄰層是不同的。對於多層預成型材料，其有效滲透係數常用的模型是一個加權平均值方案。 　　4．3 注入方法 　　對真空注射，特別是對大型結構的灌注，主要問題是如何在最短的時間內完成樹脂的灌注。通常有二種灌注方法，即點灌注和線灌注。注入方法不同會影響生產成本的預測。每種注入方法都各有優缺點，例如採用點灌注會出現滲漏，且要影響製品充模時間，但製品無需切邊加工。採用這種注射方法時間長。線注射或邊注射，注射時間較短，要避免滲漏也並不容易，但排氣口不能直接定位，且最終製品要切邊，增加了製造成本。 Gebart等人評價了RTM的不同注入方法，按他們的結果，線／邊注入可以比點注入快10倍。用相同層數的氈進行注入試驗，發現直線灌注比點灌注快，用螺旋管作為分配槽更是如此(3)。例如灌注距離為20cm時，直線和點灌注時所需時間分別為1500s和3000s。線注射覆蓋的面積與分配槽和流道的長度相關。 5、工程應用實例 　　SCRIMP工藝在船舶和海洋基礎工程領域得到了很好的商業回報。SCRIMP的許可證由SCRIMPsv8tern LLC公司擁有，已有62家公司購買了該工藝的專利使用權，其中約4o家持有者應用該技術製造船體、甲板、風機葉片、橋粱，以及其它民用和海洋基礎工程。其中，英國的VOSPER THORNYcROFT公司自1970年以來為英國皇家海軍製造了270艘複合材料掃雷艇，預計至2002年還要製造23—25艘。 　　最大的掃雷艇艇體總長達52．5m，總重達470t。起初，該系列艇FRP部件約佔總重量的30％，由於SCRIMP工藝的引入，FRP製品的比例有望達到35— 40％。該公司採用耐腐蝕的金屬／有機纖維織物，高括性的聚酯或乙烯基樹脂(樹脂粘度在100CPS左右)，中溫或室溫固化，製造結構件的孔隙率達到1％左右，纖維含量(wt)達到5O一6o％l 。在艦船主艙面結構模塑過程中，該公司採用10m×50m的真空袋、面密度8OO一600(1s／m 的玻纖織物，樹脂注入量為50kg／rain，一次成型板材總重2t，膠凝時間約為35min，樹脂利用率95％ 以上。vT公司應用SCRIMP工藝開展的項目還涉及製造運輸船、作業艇、救生艇船體和海洋港口工程結構，如橋樑甲板、大型冷凍倉等。vT公司還為Compton Marine及Westerlv等公司提供技術支持，用經濟的SCRIMP技術替代原有的開模方法製造長度14m遊艇。以及開發新一代遊艇系列。 　　瑞典海軍的輕型護衛艦Visby(艦上有10．4m的梁)正在進行海試。該艇長73m，預計2004年服役。這是目前建造的最大的FRP夾芯結構。艦上的部件如船體、甲板和上層建築都是用SCRIMP法製造的該工藝確保了高纖維含量、優異的製品性能、重量穩定性和快速成型。PeieheU Pugh公司開發了Corum快速遊艇(0D48系列)。遊艇使用SPX7309環氧室溫固化注射樹脂，製造周期僅為30min。Ciba—Geig y公司採用Injectex織物／樹脂滲透介質／低粘度環氧體系開發了艦船部件。 　　在海洋工程方面，Hardcore Composites Ltd．以及New CastIe，DE 公司開發了碼頭護欄項目。其目的是替代因海水腐蝕嚴重破損的金屬製品。FRP護欄比金屬輕、強度和剛度較好，並耐潮濕、耐鹽水腐蝕和紫外線，已將84個FRP護欄安裝到Buenos碼頭。該項目在1996年SPI上獲獎。所用材料為Derakane411—350乙烯基樹脂(Dow化學公司)、E一玻纖以及Balsa芯材(Baltek公司)。產品的尺寸為2．1×4．9×0．2m，重量為1360kg。纖維含量為72％，壓縮強度358MPa，拉伸強度434MPa，彎曲強度661MPa。 　　目前，SCRIMP工藝的應用領域從船舶甲板、巡邏艇、海洋護欄、樁材，到交通領域的卡車駕駛室、有軌電車保險杠，以及電杆、風機葉片、臨時性橋樑等基礎設施。該工藝也可應用於混凝土結構的加固和修復，以及探雷器等國防軍工領域，其中最大的製品仍是船體結構，製造的動力船隻的長度可達4—61m。 6、結束語 　　SCRIMP因其自身較低的有機物揮發量和清潔安全的工作環境，引起人們的廣泛關注。SCRIMP工藝作為「改進的真空袋成型法」，或「有彈性袋的RTM」，已應用於產品製造和開發，但對於這種工藝尚未進行全面的研究，現有的很多技術是建立在經驗和反覆實驗的基礎上，國際上對其工藝理論的系統研究正在進行。然而，SCRIMP工藝在成型船舶和海洋工程上已顯示出巨大的優越性。它適合製造大中型船舶的外裝件、結構件及功能件。目前國際上批量生產和廣泛應用範例證實了這一點。 　　美國海軍確定SCRIMP的價值是製造未來型號戰艦的船體結構。他們的結論是該工藝製造部件性能可與航空、宇航等領域廣泛採用的熱壓釜工藝相媲美。隨著SCRIMP技術從軍事應用向民用工業的轉移，其主要應用領域正在向建築和汽車工業拓展，如大尺寸的屋面、建築平台等公用工程構件。以Lotus公司為代表的汽車廠家已實現了該工藝的大規模生產，用於製造轎車車身、大型卡車車頂和面罩，豪華客車及公共汽車前臉和後尾，鋪路車及油礦車車身和駕駛室等部件。SCRIMP工藝將有較好的應用前景。