胡大豹

摘 要：隨著先進復(fù)合材料在飛機上的大量應(yīng)用，復(fù)合材料低成本成為目前面臨的重要課題，飛機復(fù)合材料構(gòu)件種類繁多，工藝控制難度大，缺陷會嚴重影響符合材料構(gòu)件表面質(zhì)量，本文對熱壓罐成型符合財力結(jié)構(gòu)制造缺陷的形成機制進行分析，包括等厚板孔隙缺陷，整體成型中的分層擴展，建立復(fù)合材料熱壓罐工藝制造缺陷分析系統(tǒng)，為航空復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)制造缺陷控制，促進工程應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：熱壓罐;復(fù)合材料;成型工藝;缺陷

熱壓罐成型方法具有許多其他工藝不具備的優(yōu)點，可制造形狀復(fù)雜的制件，制品質(zhì)量問題，成型工藝靈活，適于生產(chǎn)大面積整體成型構(gòu)件，纖維含量高，孔隙率低。熱壓罐成型工藝具有設(shè)備投資高，成型周期長的特點，熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件主要缺陷包括外形尺寸與內(nèi)部治理等，內(nèi)部質(zhì)量包括分層，夾雜等。造成缺陷的原因種類繁多，包括制造中的人機料法環(huán)各環(huán)節(jié)的相關(guān)工序。本文分析非等厚板材常見缺陷產(chǎn)生原因，分析內(nèi)容對復(fù)合材料零件質(zhì)量控制具有一定的借鑒作用。

一、熱壓罐成型工藝特點

熱壓罐成型工藝主要是將復(fù)合材料毛坯或交接結(jié)構(gòu)用真空密封在熱壓罐中，用罐體內(nèi)部均勻溫度場對成型中的零件施加溫度壓力，使其成為所需要的形狀與質(zhì)量狀態(tài)的成型工藝方法。

其成型工藝特點主要是罐內(nèi)壓力均勻，真空帶內(nèi)的零件在均勻壓力下成型。適用范圍廣，成型工藝穩(wěn)定，熱壓罐溫度條件幾乎滿足所有聚合物基復(fù)合材料的成型工藝要求?？杀ＷC成型的及零件質(zhì)量問題，熱壓罐成型工藝制造的層合板孔隙率較低，相對其他成型工藝成型層板力學性能穩(wěn)定。

熱壓罐工藝存在一些不足，投資建造大型熱壓罐的費用很高，需專人操作，成型過程中耗費大量能源，形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不適用熱壓罐成型工藝，可根據(jù)具體情況選擇RTM低成本成型工藝。

二、內(nèi)部質(zhì)量

（一）非等厚層板缺陷分析

復(fù)合材料零件的內(nèi)部質(zhì)量主要通過無損檢測方法判定，零件的材料類型，外形尺寸不同，產(chǎn)生的缺陷不同。非等厚板是基本的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于航空航天等翼面及殼體結(jié)構(gòu)，非等厚板材的樹脂流動包括沿垂直于層板方向流進吸膠層，與在層板內(nèi)沿平行纖維方向流出兩種形式。面內(nèi)尺寸大于厚度尺寸時，可認為樹脂只沿厚度方向流動。壓力傳遞與溫度分布較均勻，出現(xiàn)缺陷比例較低。在厚度梯度區(qū)樹脂可沿厚度方向流動，存在滲流機制與剪切流機制之間的耦合作用。樹脂有由平板向梯度區(qū)流動的趨勢。

非等厚層板外壓作用下梯度區(qū)纖維可能發(fā)生滑移，層板在過渡區(qū)出現(xiàn)富脂等缺陷。由于復(fù)合材料的各向異性，引起膨脹系數(shù)與熱應(yīng)變的各向異性。在鋪層長短搭接處出現(xiàn)分層等缺陷[1]。

（二）曲率構(gòu)件缺陷分析

工程制造中，對非等厚層板在鋪疊時采取多次抽真空壓實，可通過預(yù)吸膠工藝吸走多余的樹脂。梯度寬度減小會增加缺陷的比例，鋪層變化應(yīng)避免突變，階梯寬度應(yīng)大于2MM，盡量降低產(chǎn)生缺陷的比例。曲率構(gòu)件包括L型與U型等曲率半徑變化較大的構(gòu)建，由于其本身的曲面結(jié)構(gòu)，其成型過程比平板復(fù)雜?；⌒螛?gòu)件預(yù)浸體系受外界壓力后，內(nèi)部形成應(yīng)力狀態(tài)。剪切應(yīng)力大致拐角區(qū)域在密實中纖維發(fā)生剪切變形。造成纖維變形[2]。拐角區(qū)是缺陷密集區(qū)，陰模成型時，鋪疊過程中纖維易架橋，拐角易產(chǎn)生富樹脂，陽模成型時，拐角厚度偏薄，易造成分層等缺陷。影響拐角區(qū)缺陷的主要因素包括材料及鋪層設(shè)計，受模具圓角半徑等影響，圓角半徑設(shè)計過小可能在拐角區(qū)發(fā)生纖維拉斷等制造缺陷，設(shè)計復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時，拐角處盡量給出較大半徑，復(fù)合材料層壓零件最小圓角半徑按經(jīng)驗公式rmin=1+0.1n計算。N為拐角處層數(shù)，用陽模鋪貼r≥t，用陰模鋪貼R≥2t，R為圓角半徑。t為平板區(qū)域的厚度。

三、外形尺寸

影響零件外形尺寸的因素主要由固化變形導(dǎo)致的尺寸變化，從變形產(chǎn)生機理可分為熱應(yīng)力，溫度梯度與樹脂固化度等。復(fù)合材料鋪層在不同主軸方向具有不同的熱膨脹系數(shù)，溫度改變引起熱膨脹與鋪層方式關(guān)系密切。

曲率零件即使采用對稱鋪層，成型過程中材料因溫度變化效應(yīng)在應(yīng)變在各方向并非一致。導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的回彈固化變形。對稱蒲城彎曲零件受溫差δt作用，零件拐角變?yōu)棣?δθ。

熱固性樹脂在聚合反應(yīng)時，交聯(lián)密度增加伴隨體積減小，固化收縮過程中橫向收縮應(yīng)變大于軸向。固化早期反應(yīng)樹脂處于粘流態(tài)，但不產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

熱固性樹脂的化學反應(yīng)速度與所處溫度有關(guān)，如零件部位溫度在固話中保持均勻分布，各部位溫度在固話中無法保持均勻分布，基體樹脂的反應(yīng)造成樹脂模量與固化收縮應(yīng)變不一致。薄層板差異很小。厚層板由于其低的橫向熱傳導(dǎo)系數(shù)，層板中間溫度小于表面溫度，化學反應(yīng)熱迅速增加。固化過程層板內(nèi)部顯著的溫度與固化梯度。較快的加熱速率影響模具溫度場均勻性，內(nèi)部產(chǎn)生明顯的溫度梯度。較慢的加熱速率會造成工時的增加。

四、結(jié)語

非等厚板材梯度區(qū)的分層的主要區(qū)域，與樹脂的二維流動有關(guān)，合理的鋪層設(shè)計可有效解決過渡區(qū)的缺陷。模具與零件相互作用等是影響固化變形的主要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計及生產(chǎn)過程控制等是減少變形的有效方法。曲率構(gòu)件拐角是缺陷產(chǎn)生的密集區(qū)，與刮膠區(qū)受力有關(guān)，通過合理的設(shè)計模具，可大大改善產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻：

[1]史曉輝.基于熱壓成型工藝的熱塑性復(fù)合材料在民機上的應(yīng)用[J].科技視界，2019（09）：4-6+22.

[2]董廣雨，丁玉梅，楊衛(wèi)民，謝鵬程.連續(xù)碳纖維復(fù)合材料熱壓成型工藝條件優(yōu)化研究[J].化工新型材料，2018，46（08）：71-74.