复合材料成型工艺方法及优缺点分析

复合材料成型工艺方法及优缺点分析

姚旭宾

航空工业哈飞 黑龙江省哈尔滨市150000

摘要：先进复合材料具有轻质高强、性能可设计、材料与构件一体等优异特性，广泛应用于航空航天装备领域。复合材料的最终性能与使用效能，取决于原材料和成型制备技术。为满足高纤维体积分数、高性能均匀性和高稳定性的“三高”要求，热压罐成型工艺已成为航空航天复合材料制备的首选技术。但是，热压罐成型工艺也存在诸如生产效率低、成本较大、环境污染等缺点。因此，对热压罐成型工艺的研究，应着重放在优化固化工艺路线，使其向着能源节约型、环境友好型、效率最大化方向发展。

关键词：复合材料；热压罐成型；方法

在复合材料制件制造过程中由于环境、原材料缺陷、工艺规范和结构设计不合理等因素会产生各种缺陷，制造缺陷的存在严重影响了复合材料的性能和使用寿命，甚至还会导致复合材料制件的报废，造成重大经济损失。因此，制造缺陷的控制技术是目前先进树脂基复合材料成型工艺领域的重要研究内容。复合材料在航空航天领域的应用日趋广泛，热压罐成型工艺已成为航空航天领域复合材料主承力和次承力结构件成型的首选工艺之一。影响复合材料构件热压罐固化成型质量的主要因素有由热压罐和工装系统构成的成型制造外部温度场、压力场及其作用时间，由构件复杂结构及材料相变特性构成分析了复合材料热压罐固化成形工艺。

一、复合材料成型工艺

1、拉挤成型工艺。复合材料拉挤成型工艺的研究开始于上世纪五十年代，到了六十年代中期，在实际生产中逐渐运用了拉挤成型工艺。经过将近十年的发展，拉挤技术又取得了重大研究进展，树脂胶液连续纤维束在湿润化状态下，通过牵引结构拉力，在成型模中成型，最后在固化设备中进行固化，常用的固化设备有固化模和固化炉。拉挤成型工艺的制品质量十分稳定，制造成本也很低；生产效率也很高能够进行批量化的生产。

2、模压成型工艺。模压成型工艺是一种较为老旧的工艺，但是又充满不断创新的可能，具有良好的未来发展潜力。该种成型工艺主要是在金属模内加入预混料，再对金属模进行加热，同时对金属模进行加压，从而使金属模内的混合料成型。模压成型可以实现自动化生产，能够有效控制制品尺寸和精度，大幅降低生产成本。此外，模压成型的制品不需二次处理，表面十分光洁；生产效率很高，还可以用于成型结构比较复杂的制品。不仅如此，模压成型工艺能够有效避免基体试件分子取向，客观反映非晶态高聚物的性能。

3、铺放成型工艺。自动窄带铺放成型技术和自动铺丝束成型技术统称为纤维铺放成型技术，是一种全新的自动化制造技术。铺放成型工艺的基础是缠绕和自动铺放技术。一般情况下，纤维铺放成型工艺是在带头铺设后按照预定的形状和位置对带有隔离衬纸的预浸带进行切割，之后再进行加热并按照设计方向进行压辊，对应的模具曲率半径变化率较小，曲率半径较大。通常情况下，铺带机的核心零部件就是铺带头，主要作用就是衬纸剥离、张力控制等。铺丝技术适用于曲率半径较小的制品生产，铺设时没有褶皱，不需额外处理操作。铺丝相对于铺带来说，成本较高，效率较低，在选用时需结合实际情况决定。

二、复合材料构件固化变形的质量方法

在热压罐复合材料构件制造工艺中，构件质量缺陷主要表现在外部成形尺寸与内部成性两大方面，外部成形尺寸缺陷主要指构件固化变形导致的成形精度误差等方面，热固性复合材料构件固化需要加热与加压，加热用于控制树脂基体内化学反应，加压则用于挤出预浸料中过量的树脂，使构件固化压实并减小孔隙率。可见，优化固化工艺路线中温度、压力与时间的对应关系是保证构件固化质量的重要前提。

1、环境温度场对构件成型质量的影响

（1）从理论方面研究环境温度场对成型质量影响。国内模具应具有良好的热传导性和热稳定性，防止加热固化变形，影响产品质量。在热压罐成型过程中选用薄壁框架式模具结构，可减少模具在升温过程中因各部位温度不均匀引起的模具变形。[1]通过对 T 型整体化结构建立固化变形理论分析模型，得出模具与复合材料构件间热不匹配是导致构件固化变形的又一主要因素。基于液固挤压复合材料过程模具传热的非稳态有限元模型，得到模具温度场对成型过程的影响规律。

（2）从试验方面研究环境温度场对成型质量的影响。对热压罐成型工艺过程中试验环境温度的升温速率、固化温度、保温时间等工艺参数进行系统的实验研究发现，较高环境温度会使层合板的孔隙率有一定程度增加，而较低环境温度会导致各项同性压缩性能降低，在凝胶点和玻璃化转变温度之前，采用较低升温速率会导致压缩性能下降和孔隙率增加。[2]研究了一种框架式模具结构，并指出该结构有利于模具各点温度均匀，成型精度高。采用光纤光栅监测方法，对热压罐成型复合材料构件由沿厚度方向和面内的固化残余应力发展进行了试验研究，得出：复合材料与模具之间的热不匹配会导致的固化残余应变，该应变会引起构件固化后的翘曲变形，变形以沿纤维方向为主。

2、热力场对构件成型质量的影响。在固化放热阶段，基体内存在物态变化和体积收缩的现象，而固化交联反应完成的程度又会直接影响复合材料构件自身的最终力学性能，从而使构件产生固化变形和内部缺陷。尤其对于厚度较大且厚度梯度较为明显的复杂构件，极易由于反应放热不同造成构件温度分布不均匀而形成温度梯度，导致固化度离散分布，致使复合材料构件质量受到影响。因此，在复合材料构件固化过程中，应避免构件各处固化度出现较大波动。

（1）从理论方面研究复杂结构及内部热力场对成型质量影响。[3]模拟了固化后 L 型构件的密实和变形情况，指出拐角区纤维层的剪切模量不可忽略，采用三维有限元方法，对正交各向异性复合材料层合板固化过程进行数值模拟，其研究方法可直接应用于大型复杂复合材料结构固化过程模拟和变形计算，同时还指出，固化收缩对层合板变形曲率影响很小。利用模型研究了结构件内部温度、固化度、翘曲变形以及由化学反应对构件固化变形的影响。考虑树脂内部热-化学反应场对成型质量的影响，用有限元法研究了热压罐法制造复合材料的三维工艺模型。通过综合热-化学模型、空隙模型以及残余应力模型，推导出了单向AS4/3501-6 石墨/环氧复合材料平直板制造工艺的一维模型，并以此预测了温度、固化度、空隙尺寸与温度历程的关系。

（2）从试验方面研究复杂结构及内部热力场对成型质量影响。[2]复合材料构件中的温度分布不均匀及降温过程中构件内部产生的较大内应力，会导致分层，同时还指出共固化成型工艺中，相对于已固化的蒙皮，L 型筋条的密实质量直接影响着T 型加筋板的成型质量，发现构件厚截面温度梯度随厚度的增加，温度梯度增加，易产生固化变形，层合板内温度和铺层方式对成型质量的影响程度很大。通过 DSC 方法对环氧树脂基体在固化过程中的力学性能进行了测定，指出比热、玻璃态转化温度、热膨胀系数、化学收缩系数以及热力学系数都与温度和时间有关，建立了热化学弹性有限元模型来预测固化变形。

综上，大部分研究者是对影响复合材料构件成型的若干因素场进行单独设计实验，建立预测模型对复合材料构件内部反应热场进行研究，或者仅仅对某种复合材料构件成型质量的影响因素大小做了试验研究，不具备普适性。而且，没有将多个因素场耦合起来，建立统一的多场耦合模型来预测实际热压罐固化过程。因此，今后对热压罐固化工艺的研究应从多场、多尺度耦合，建立综合考虑温度和压力共同作用下的固化动力学模型等方面入手，实现对实际固化过程的预测。在热压罐复合材料制造工艺中，构件固化工艺质量取决于由热压罐和工装系统组成的成型制造环境所提供的外部温度场、压力场，以及其自身复杂的材料特性及结构特征间的关联耦合作用。已有的研究工作开展，无法对构件真实的固化成形成性过程进行准确的分析和预测。因此，建立多场、多尺度耦合的热压罐固化成型工艺数学仿真模型，实现成形成性形协同制造，已成为热压罐成型工艺研究的趋势。             

参考文献：

［1］蔡菊生.先进复合材料在航空航天领域的应用［J］.合成材料老化与应用,2018,47(6):94-97.

［2］鲁成旺.复合材料构件热压罐成型工艺参数设计及优化［D］.杭州:浙江大学,2018.

［3］李艳霞.先进复合材料热压罐成型固化仿真技术研究进展［J］.航空制造技术,2018(15):76-81+86.

［4］顾轶卓,李敏.复合材料固化工艺评价与优化虚拟仿真实验［J］.实验技术与管理,2019,36(12):170-173.