SCRIMP成型工艺及其在船舶和基础工程领域的应用 返回行业资讯

复合材料在舰船领域应用越来越广泛，由于玻纤增强塑料的无磁性和较高的冲击韧性，在抗震、防磁等方面能较好地满足军舰的使用要求。许多先进舰船武器型号大量采用其制造外装件、结构件和功能件。目前国际上80％以上20m左右的舰船体都是应用GFRP制造的。此外，各种复合材料还广泛应用于制造近海平台的上层建筑及海洋工程结构。

近年来．SCRIMP成型工艺在制造大型船舶部件领域得到了广泛的关注和应用。SCRIMP工艺是液体成型技术(LCM)的一种，该工艺为大型船舶制品的低成本制造提供了崭新的思路和解决方法。

1、SCRI MP工艺及发展概况

SCRIMP成型技术(Seamann Composites ResinInfusion Mnufacturing Process)是一种新型的真空辅助注射技术(VART M)，是美国Seemann Comp．osites公司注册的专利技术l1'2 J。根据促进树脂流动的树脂分配系统不同，分为渗透介质型SCRIMP和沟槽型SCRIMP E 。渗透介质型SCRIMP是在模具上铺设树脂渗透介质和可浸透的薄膜剥离层来实现的，这种形式由于设计的灵活性和可成型形状复杂制品而非常通用。但其缺点是：充模速度较低，加工材料如高渗透介质、剥离层等材料不易回收，增加了制造成本；沟槽型SCRIMP是在低密度泡沫芯材上刻槽以加速树脂流动，使其成为最终制品的一部分，这种形式树脂在沟槽中的充模速率较高，并减轻了部件重量、减少材料浪费。

从目前船舶部件成型可选择的技术来看，RTM这种闭模成型工艺一直为人们所广泛关注，但针对小批量大型部件，因需要注射设备和复杂的对模(模具要承受树脂的注入压力)，并受到材料品种和性能限制，传统的RTM工艺在价格上投有竞争力。人们采用这种办法，很难将制品的缺陷降低到一个可以接受的水平，而且难以成型大尺寸及厚壁制品。对于小批量大型部件，采用一种真空注入方法，即采用真空吸力作为推动力使增强材料得到浸渍，其起源是40年代的Mareo法 J 经过若干年的研究开发，真空注射工艺已成为一种经济实用的方法，目前市场上可以找到多种工艺方法，如SCRIMP方法、快速铸塑VARTM法(Quick Draw VARTM)、树脂注入回流法(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种。

SCRIMP工艺在80年代末开发出来，1990年最初获得专利，但当时公众反应平平，没有实现预测的商业利益。直至1996年SPI复合材料年会上得到人们的首肯，该工艺开发的铁路车厢、海洋护栏获得了开发优秀奖。美国国家标准与技术研究机构(NIST)提供了1350万美元支持SCRIMP闭模技术开发，由Hardcore DuPont Composites LL承担，项目的目标是经济有效地将先进的复合材料制造技术从军事领域转向商业市场。目前，人们普遍认为SCRIMP技术是复合材料行业打开民用基础工程领域的一种非常有意义的尝试。

2、SCRIMP工艺的技术优势

SCRIMP工艺之所以得到长足发展，是由于其无以伦比的综合技术优势。该工艺方法灵活，真空袋压法能够成型的部件采用该工艺都可以成型。由于精心设置的树脂分配系统，使树脂胶液先迅速在长度方向上充分流动填充，然后在真空压力下在厚度方向缓慢浸润，大大改善了浸渍效果，减少了缺陷发生，使模塑部件具备很好的一致性和重复性。与开模工艺相比较，从理论上讲，该工艺一次成型制品的面积与其相近，面积甚至达到10～l00m2 、长度20m的大型部件。目前制造制品面积可达到185m2 ，厚度为3～150mm，纤维含量(重量)达70～85％ ，孔隙率低于1％ ，树脂浪费率低于5％ ，节约劳动成本50％以上，所以该工艺属于一种低成本制造技术。该技术更适合于制造舰船用高品质的大型构件。制品具有耐海水腐蚀性好、抗冲击性强和层间剪切强度优良等优点。

3、原材料及辅助材料

3．1 树脂体系

该工艺对树脂体系的要求是粘度低、使用期长、放热峰适中。选用的树脂品种不同，对制品的机械性能影响较大。树脂的模量和破坏应变也会引起复合材料性能的差异 。可采用的树脂有不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。DCPD改性的低苯乙烯树脂应用效果较好，可得到收缩率控制较好的制品。乙烯基树脂由于较好的物理性能，一般应用于海洋、建筑和交通领域。各种改性和混台型乙烯基树脂在该工艺中应用良好。环氧树脂最好不含稀释剂，否则会对制品性能有影响，而不含稀释剂的环氧树脂，室温下粘度较高，注人和固化时间较长，一般通过提高环境温度来提高效率。

3．2 增强材料

各种型式的增强材料，从短切原丝到织物，如无捻粗纱织物、加捻织物、斜纹布、双向缝合织物等都可以应用到该工艺中，应用的织物面密度最大至87kg／m 。增强材料以于态按具体性能要求铺放到模具中J。

3．3 真空袋膜

聚丙烯膜是最常用的真空袋膜，为提高其耐热性需对其进行改性(即共聚)，使其具有弹性和较高的可成型性、抗穿刺性，可以在形状复杂的模具上拉伸，无折叠和褶皱，真空效率较高。这类薄膜也适用于预混料和湿法铺放系统。

3．4 有孔脱模膜

它由改性聚丙烯制成，分硬膜和弹性膜二类。前者适用于平板或形状不复杂的模具，后者适用于形状复杂的模具。尺寸为lm x(200—400)m，延伸率为100～300％，可在120～125℃下使用，具有良好的机械性能和高温性能，具有天然的自脱模性能。为使其能与吸胶织物或防护膜粘接，有时对其一面进行处理。

3．5 胶粘带

胶粘带是一种丁基橡胶的真空袋密封剂，具有高弹性和胶接性，并有优异的密封性能，可以消除开始铺放真空袋时产生的密封缺陷，因此可提高真空效率。它适用于聚酯、乙烯基酯和环氧树脂模塑系统。

3．6 树脂渗透介质

瑞典的Bofors公司用穿刺纤维布作为树脂分散介质。英国的Scott Bader树脂公司和荷兰的DSM树脂公司用一种带有网状凸起的膜作为树脂分配介质。中空的螺线管和窗纱布也是较常用的渗透介质。

4 、主要工艺参数的确定

尽管真空注射模塑虽然与RTM工艺相似，但由于聚合物柔性膜及流动增强层的引人，直接应用RTM知识存在一定困难。要熟练掌握该模塑工艺，需要彻底了解过程中各个工艺参数。

4．1 增强材料的压实

RTM工艺千纤维的压实压力可高达1MPa，而SCRIMP的压实压力较低，需研究层数、铺层顺序和压实速度变化时压实特性。

从不同铺层情况的试验结果可知，压实压力低时(≤0．1MPa)，压实速度为2mm／min时，层数和铺层顺序对压实特性基本无影响。但是对湿态增强材料，压实特性受铺层顺序影响。在湿态条件下压实压力相同时，交叉铺层方式可能会导致纤维体积分数提高。但在保持体积分数不变时，压实压力有所下降，这是纤维开始重新排列及少量纤维与模具接触的结果。Pearce和Summerscales在模拟RIFT和RTM工艺进行压实试验时，也证实了这一结果。按照作者的看法，为了达到规定的纤维含量，在RTM工艺中闭合模具时须采用逐步加载的方式，但对真空注入工艺，并不直接采用这种方法。为达到相同的结果，常采用一种替代方案，即在开始注入之前，尽可能长时间抽真空，以减少注入过程发生的松驰。

4．2 渗透系数

渗透系数是描述增强材料工艺性能的参数，渗透系数k是多孔介质特定性能，如孔隙率、纤维的形状和定向、与液体接触的表面积、孔隙的尺寸分布等的表征。在该工艺中渗透系数是的一个重要工艺参数。Gebart在他的研究工作中，测定了单向增强材料的渗流系数。Lundstrom和Gebrat对渗透系数的标准测试方法给予了详细分析，很多模拟方案采用了Kazenv—carman模型来表达渗透系数。

在现有的模塑模型中，均假定纤维的体积分数为常数。而对SCRIMP工艺，由真空袋的柔性特征，使渗透系数测定更加困难，这是由于柔性真空袋能引起纤维体积分数改变所致。因此，就不可能应用现有的模型。由于流动增强材料的存在增加了最终制品的厚度，影响了渗透系数，而增强材料层的浸溃主要在厚度方向上发生。

Kim等进行了横向流动试验，他们增加纤维毡层数，结果降低了渗透系数。他们认为这种现象是由于相邻纤维毡界面的阻挡作用引起流体流动路径弯曲造成的。此外(Wul4)等发现铺层顺序不同也导致渗透系数的差异。按照他们的结果，铺层顺序影响渗透系数的可能有二种原因：①纤维增强材料铺层顺序不同，可能使其压缩特性不同，因而使渗透系统不同，这对充分浸润树脂的增强材料是正确的；②在不同类型纤维毡之间存在一个界面，在界面层的流动特性与其相邻层是不同的。对于多层预成型材料，其有效渗透系数常用的模型是一个加权平均值方案。

4．3 注入方法

对真空注射，特别是对大型结构的灌注，主要问题是如何在最短的时间内完成树脂的灌注。通常有二种灌注方法，即点灌注和线灌注。注入方法不同会影响生产成本的预测。每种注入方法都各有优缺点，例如采用点灌注会出现渗漏，且要影响制品充模时间，但制品无需切边加工。采用这种注射方法时间长。线注射或边注射，注射时间较短，要避免渗漏也并不容易，但排气口不能直接定位，且最终制品要切边，增加了制造成本。

Gebart等人评价了RTM的不同注入方法，按他们的结果，线／边注入可以比点注入快10倍。用相同层数的毡进行注入试验，发现直线灌注比点灌注快，用螺旋管作为分配槽更是如此(3)。例如灌注距离为20cm时，直线和点灌注时所需时间分别为1500s和3000s。线注射覆盖的面积与分配槽和流道的长度相关。

5、工程应用实例

SCRIMP工艺在船舶和海洋基础工程领域得到了很好的商业回报。SCRIMP的许可证由SCRIMPsv8tern LLC公司拥有，已有62家公司购买了该工艺的专利使用权，其中约4o家持有者应用该技术制造船体、甲板、风机叶片、桥粱，以及其它民用和海洋基础工程。其中，英国的VOSPER THORNYcROFT公司自1970年以来为英国皇家海军制造了270艘复合材料扫雷艇，预计至2002年还要制造23—25艘。

最大的扫雷艇艇体总长达52．5m，总重达470t。起初，该系列艇FRP部件约占总重量的30％，由于SCRIMP工艺的引入，FRP制品的比例有望达到35— 40％。该公司采用耐腐蚀的金属／有机纤维织物，高括性的聚酯或乙烯基树脂(树脂粘度在100CPS左右)，中温或室温固化，制造结构件的孔隙率达到1％左右，纤维含量(wt)达到5O一6o％l 。在舰船主舱面结构模塑过程中，该公司采用10m×50m的真空袋、面密度8OO一600(1s／m 的玻纤织物，树脂注入量为50kg／rain，一次成型板材总重2t，胶凝时间约为35min，树脂利用率95％ 以上。vT公司应用SCRIMP工艺开展的项目还涉及制造运输船、作业艇、救生艇船体和海洋港口工程结构，如桥梁甲板、大型冷冻仓等。vT公司还为Compton Marine及Westerlv等公司提供技术支持，用经济的SCRIMP技术替代原有的开模方法制造长度14m游艇。以及开发新一代游艇系列。

瑞典海军的轻型护卫舰Visby(舰上有10．4m的梁)正在进行海试。该艇长73m，预计2004年服役。这是目前建造的最大的FRP夹芯结构。舰上的部件如船体、甲板和上层建筑都是用SCRIMP法制造的该工艺确保了高纤维含量、优异的制品性能、重量稳定性和快速成型。PeieheU Pugh公司开发了Corum快速游艇(0D48系列)。游艇使用SPX7309环氧室温固化注射树脂，制造周期仅为30min。Ciba—Geig y公司采用Injectex织物／树脂渗透介质／低粘度环氧体系开发了舰船部件。

在海洋工程方面，Hardcore Composites Ltd．以及New CastIe，DE 公司开发了码头护栏项目。其目的是替代因海水腐蚀严重破损的金属制品。FRP护栏比金属轻、强度和刚度较好，并耐潮湿、耐盐水腐蚀和紫外线，已将84个FRP护栏安装到Buenos码头。该项目在1996年SPI上获奖。所用材料为Derakane411—350乙烯基树脂(Dow化学公司)、E一玻纤以及Balsa芯材(Baltek公司)。产品的尺寸为2．1×4．9×0．2m，重量为1360kg。纤维含量为72％，压缩强度358MPa，拉伸强度434MPa，弯曲强度661MPa。

目前，SCRIMP工艺的应用领域从船舶甲板、巡逻艇、海洋护栏、桩材，到交通领域的卡车驾驶室、有轨电车保险杠，以及电杆、风机叶片、临时性桥梁等基础设施。该工艺也可应用于混凝土结构的加固和修复，以及探雷器等国防军工领域，其中最大的制品仍是船体结构，制造的动力船只的长度可达4—61m。

6、结束语

SCRIMP因其自身较低的有机物挥发量和清洁安全的工作环境，引起人们的广泛关注。SCRIMP工艺作为“改进的真空袋成型法”，或“有弹性袋的RTM”，已应用于产品制造和开发，但对于这种工艺尚未进行全面的研究，现有的很多技术是建立在经验和反复实验的基础上，国际上对其工艺理论的系统研究正在进行。然而，SCRIMP工艺在成型船舶和海洋工程上已显示出巨大的优越性。它适合制造大中型船舶的外装件、结构件及功能件。目前国际上批量生产和广泛应用范例证实了这一点。

美国海军确定SCRIMP的价值是制造未来型号战舰的船体结构。他们的结论是该工艺制造部件性能可与航空、宇航等领域广泛采用的热压釜工艺相媲美。随着SCRIMP技术从军事应用向民用工业的转移，其主要应用领域正在向建筑和汽车工业拓展，如大尺寸的屋面、建筑平台等公用工程构件。以Lotus公司为代表的汽车厂家已实现了该工艺的大规模生产，用于制造轿车车身、大型卡车车顶和面罩，豪华客车及公共汽车前脸和后尾，铺路车及油矿车车身和驾驶室等部件。SCRIMP工艺将有较好的应用前景。