树脂传递模塑（RTM）成型工艺的在线监测与无损检测技术

树脂传递模塑（Resin Transfer Molding, RTM）工艺因其生产环节少、制件尺寸精度与外观质量高、无需二次加工等优势，在航空航天领域，特别是飞机雷达罩、螺旋桨等对厚度与尺寸有严苛要求的构件制造中，占据着重要地位。该工艺的核心在于，将纤维预成型体置于闭合模腔内，在特定温度与压力下注入液态树脂，使其浸润、渗透纤维并最终固化成型。

图1 树脂传递模塑成型工艺示意图

然而，RTM工艺的“看似简洁”背后，隐藏着一系列复杂的物理化学过程。最终产品的性能，直接受制于成型过程中的诸多变量。当液态复合材料模塑（LCM）技术向着更高纤维体积分数（可达60%）的大型复杂构件迈进时，对工艺过程进行实时、精确的监测，便不再是一个可选项，而是确保质量与可靠性的根本前提。

RTM工艺的内在挑战与缺陷根源

RTM复合材料的最终性能，实际上是整个工艺流程中所有变量相互作用与制约的结果。任何一个环节的失控，都可能在材料内部埋下缺陷的种子。

• 织物预成型体的不确定性：预成型体的制备与铺放是引入变数的首要环节。对于干态的平面织物，铺叠过程中可能产生纤维的弯曲、屈曲或拉伸变形，形成微小的褶皱和空气通道。这些区域不仅会损伤纤维，还极易导致局部树脂富集或因空气滞留而形成气泡、干斑。对于结构更复杂的三维或缝编预成型体，若缝制工艺不当，过紧的缝线或纤维损伤会造成局部渗透率下降，形成贫树脂区，直接影响构件的弯曲强度，引入质量波动。

• 树脂基体的苛刻要求：理想的RTM树脂体系需兼具低粘度、低挥发、低收缩率和高反应活性。然而，当前的高性能树脂体系往往难以同时满足这些特性。特别是树脂粘度对温度的高度敏感性，对RTM工艺的温度控制提出了极为严格的要求。

• 注射压力的“双刃剑”效应：当无法通过其他手段（如升温）有效降低树脂粘度时，提高注射压力似乎是保证在规定时间内完成充模的唯一选择。但过高的压力会冲刷预成型体，导致纤维变形，同时可能造成树脂流动过快，浸润不充分。反之，过低的压力则会延长工艺周期，并使模腔内的气体难以排出，气体溶解于树脂中，同样会劣化构件质量。

• 模具的潜在影响：模具自身的结构、材料刚性以及密封性，直接决定了构件的形状与尺寸精度。模具的微小变形或密封不严，都会给构件质量带来不稳定性。而注口与排气孔的位置设计若不合理，更是形成气泡或干斑等宏观缺陷的直接原因。

工艺过程监测方法探析

为了“透视”在封闭模具内发生的复杂流动与固化过程，开发有效的在线监测技术至关重要。超声波技术因其对材料状态变化的敏感性，成为该领域研究与应用的主流方向。

1. 超声波脉冲反射法

脉冲反射法是最为直接的监测手段之一。如图2所示，将超声换能器置于模具外壁，向模腔发射超声脉冲并接收其在模腔内表面的反射信号。通过分析反射信号幅度的变化，可以判断模腔内的状态，如图3所示。

图2 注射模中超声换能器的放置示意图

图3 四种不同情况下超声传感器监测的信号响应

• 情况A (正常填充与脱模)：当树脂流锋到达监测点时，由于树脂与模具内壁接触，改变了界面的声阻抗，导致反射回波的幅度显著下降。随着固化冷却的进行，树脂收缩并逐渐与模壁脱离，声阻抗恢复到接近空气耦合的状态，信号幅度也随之回到初始水平。这完整地记录了一次成功的填充-固化-脱模周期。
• 情况B/C (完全填充)：模腔被完全充满，并且排泄通道中有溢料。溢料为入射声能提供了额外的传输路径，腔回波和通道回波的幅度均会下降。由于模腔表面与树脂的接触面积远大于排泄通道，因此前者对信号幅度下降的贡献更大。
• 情况D (注射不足)：若因模具装配不当等原因导致注射不足，树脂未能到达监测区域，则接收信号的幅度不会发生变化，从而及时发出警报。

信号的初始下降是模腔被填充的明确标志。而在固化后期，即使大部分制件已收缩脱模，排泄通道中的树脂由于凝结快、收缩小，仍可能与通道表面保持接触，这解释了为何最终信号幅度可能仍低于完全空腔时的水平。

2. 超声波脉冲透射法

采用与图2类似的配置，但在模具对面放置一个接收换能器，便构成了透射法检测。与反射法不同，只有当树脂完全填充两个换能器之间的路径时，接收端才能探测到有效的透射信号。

随着聚合物在压力下缓慢固化，其弹性模量不断增加，这直接导致透射超声波的速度和幅度快速上升。速度会随着固化程度的提高而持续增加，而幅度则在达到峰值后，因制件收缩、拉离模腔表面而导致声耦合变差，最终缓慢衰减至零。透射法为判断完全填充和追踪固化动力学提供了有力工具。

3. 激光超声：应对复杂模具的非接触式扫描

对于具有复杂曲面或处于加热状态的模具，传统的接触式换能器难以适用。激光超声（Laser Ultrasonics）技术为此提供了理想的解决方案。它能够在远短于树脂流动总时间的时间内，快速获取大面积的超声C扫描图像，从而实现对树脂流动前沿的实时可视化。

在一个典型的铝制模具应用中，系统采用CO₂激光器作为发射源，氩激光器作为探测器。CO₂激光脉冲（例如，重复频率40 Hz）在模具外表面快速扫查（如在120秒内完成205 mm × 335 mm区域），激发产生纵向声脉冲。

图4 用于监测树脂传递成型过程的主要超声反射脉冲

声脉冲穿过约20 mm厚的铝模壁到达内表面（模腔界面）并被反射，形成回波A（见图4）。

• 如果树脂尚未到达该点，回波A幅度较强。
• 如果树脂已到达，部分声能会传入树脂，导致回波A幅度减小。

若树脂已完全浸润纤维预浸料，纵波会继续穿过复合材料层，到达模腔的对侧内壁，再反射回来，最终被探测器接收，形成回波B。

因此，通过分析这两个回波的幅度，可以构建出树脂流动的完整图像：回波A的幅度图揭示了树脂是否到达模具近侧表面，而回波B的幅度图则说明了纤维骨架是否被树脂完全浸润和填充。图5展示了利用激光超声系统监测树脂移动过程的系列C扫描图像，清晰地再现了充模动态。

图5 使用激光超声系统监测树脂移动过程的系列超声波C扫描图像

准确判读激光超声获得的C扫描图像，并将其与实际的固化物理化学过程关联起来，需要深厚的专业知识和丰富的实践经验。因此，要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对样品制备、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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4. 嵌入式金属丝超声波波导传感器

为了实现对固化过程更精细的局部原位监测，研究人员开发了超声波波导传感器（Wire Waveguide Sensor, WWG）。如图6所示，该传感器通常由两根平行的不锈钢丝构成，两端附有压电元件，分别用作发射器和接收器。传感器可工作在如350 kHz的频率。

图6 超声波波导传感器（WWG）示意图

超声波从发射端到接收端存在两条传播通道：

• 通道1：能量主要沿金属丝自身传播。
• 通道2：能量通过两根金属丝之间的介质（树脂）传播。

这两条通道对树脂固化不同阶段的敏感性各不相同，从而提供了丰富的信息。

图7 纯净树脂试验中WWG传感器的超声波响应：(a) 幅度变化 (b) 传播时间变化

图8 WWG传感器的通道1和通道2波形

分析图7和图8的响应曲线可以发现：

• 初始灌注：当液态树脂灌入时，部分声能从金属丝泄漏到树脂中，导致信号幅度（图7a）下降。
• 粘度降低：随着固化开始，温度可能略微上升，树脂粘度有少量降低，声能耦合稍有改善，幅度有微小回升。
• 凝胶阶段：在树脂发生明显胶凝之前，接收到的能量主要来自通道1。随着胶凝过程的推进，树脂对金属丝的束缚增强，通过通道1传播的能量迅速减少。
• 硬化阶段：当树脂开始硬化，其模量足以支撑声波在其中有效传播时，通道2开始成为主要的能量传输路径。随着固化程度加深，通道2的信号幅度趋于平稳，其传播速度（由传播时间倒数反映，见图7b）则因树脂硬化而持续增大。
• 传播时间：一个有趣的现象是，通道1的传播时间在凝胶作用完成前达到最大值，这反映了固化过程中材料状态的复杂变化。

通过这种嵌入式传感器，可以对复合材料内部特定位置的固化动力学进行高精度、实时的追踪，为优化固化工艺曲线、确保固化质量提供了前所未有的数据支持。