復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型工藝參數(shù)控制

摘 要：復(fù)合材料在實際應(yīng)用中具有良好的耐疲勞強度、耐高低溫等特性，并且強度高、重量輕，在航天飛行器中應(yīng)用廣泛。和普通金屬材料相比，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型工藝便于加工、操作、拆卸和組裝，通過合理控制復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型工藝，可有效提高結(jié)構(gòu)件質(zhì)量和使用性能。本文首先對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件做了概述，分析了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型工藝。在探討復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型工藝的基礎(chǔ)上，研究了其整體固化成型工藝參數(shù)控制。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件；固化成型；工藝參數(shù)；控制

隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用范圍越來越廣泛，其固化成型工藝要求越來越高，研究其參數(shù)控制凸顯出重要意義。作為一向?qū)嶋H應(yīng)用效果良好的結(jié)構(gòu)件，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步。該項課題的研究，將會更好地提升其實踐水平，從而有效優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的整體水平。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件概述

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件具有較高的耐腐性、剛度、強度等優(yōu)勢，在航空領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用，如飛機承力結(jié)構(gòu)件、方向舵、垂直和水平尾翼、艙門、阻力板、發(fā)動機機罩等都采用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件[1]。同時，飛行器利用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的可設(shè)計性和良好物理性能，有效降低了生產(chǎn)成本，使整個飛機結(jié)構(gòu)減輕了20～40%的重量，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用狀態(tài)對于整個飛行器運行狀態(tài)有著重要影響，其應(yīng)用部位和材料用量是評價一個飛行器結(jié)構(gòu)科學(xué)、合理的重要指標(biāo)。另一方面，應(yīng)注意復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的一些缺點，在操作使用或者維護(hù)不合理的情況下，受到彈傷、雷擊、鳥撞等因素影響，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件易發(fā)生斷裂、破孔、裂紋、缺口、分層等缺陷，在一定程度上影響飛機的動態(tài)和靜態(tài)運行性能。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型工藝

（1）手糊。手糊固化成型工藝適用于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、面積較大的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，其主要是按照標(biāo)準(zhǔn)的鋪層方法，將浸潤在膠水中的膠布分層糊在模具上，然后進(jìn)行加熱固化，這種固化成型工藝的操作使用方法比較簡單，但是效率較低；（2）纏繞。纏繞固化成型工藝適用于方管、錐管、圓管等結(jié)構(gòu)件中，在纏繞機上放上芯模，將結(jié)構(gòu)件纏繞成型以后，然后進(jìn)行加熱固化，最后將芯模取出，加工成制品；（3）模壓。模壓適用于質(zhì)量要求高、尺寸小、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，在專用模具中將預(yù)浸料填充密實，結(jié)合進(jìn)行合模，采用標(biāo)準(zhǔn)加工工藝，最后加熱固化。

3 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型工藝參數(shù)控制研究

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型工藝參數(shù)控制主要包括保溫時間、升降溫速度、壓力、溫度等。固化成型工藝從本質(zhì)上是一個對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件加壓、加熱的過程，使纖維和熱固性樹脂相結(jié)合，從而形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。因此，固化成型工藝參數(shù)控制對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件質(zhì)量有著直接的影響。

（1）熱壓機壓力、溫度和操作控制。在使用熱壓機過程中，應(yīng)結(jié)合實踐經(jīng)驗和具體情況，嚴(yán)格控制熱壓機運行工藝參數(shù)，在加熱過程中，下層和上層加熱板溫度應(yīng)明顯高于中間層加熱板溫度，結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的形狀、結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求，合理把握熱壓機加熱時間。對于復(fù)合材料的碳纖維制品，在使用固化工藝時，按照工藝參數(shù)要求，當(dāng)碳纖維制品溫度達(dá)到130攝氏度時再進(jìn)行一次加固，但是在實際操作應(yīng)用中，在碳纖維制品溫度達(dá)到120攝氏度時必須增加5MPa壓力，否則碳纖維制品一旦形成膠凝態(tài)，再加壓已經(jīng)沒有效果。同時，結(jié)合不同季節(jié)的溫度變化，合理控制模具溫度和加熱板溫度之間的溫差，夏季應(yīng)盡量減小溫差，冬季應(yīng)盡量增大溫差[2]；（2）烘箱溫度控制。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件放入烘箱中進(jìn)行固化成型工藝，會經(jīng)歷兩個溫度折點，如圖1所示，因此在進(jìn)行固化成型工藝之前，應(yīng)先了解工藝流程，在保溫階段應(yīng)保溫，在加熱階段應(yīng)加熱，特別注意在溫度折點附近時，嚴(yán)禁超溫，保障復(fù)合材料機構(gòu)件質(zhì)量。

在操作過程中，當(dāng)模具溫度低于烘箱溫度15攝氏度時不再加溫，這時到達(dá)第一個轉(zhuǎn)折點，當(dāng)模具溫度逐漸上升，至折點還差4攝氏度時，將烘箱溫度調(diào)節(jié)到115攝氏度，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在第一個轉(zhuǎn)折點周圍保持恒溫，然后適當(dāng)延長保溫時間，在到達(dá)第二個轉(zhuǎn)折點時，持續(xù)保溫2h，當(dāng)模具溫度達(dá)到155攝氏度時，烘箱溫度下降到167攝氏度，當(dāng)磨具溫度達(dá)到158攝氏度時，烘箱溫度調(diào)節(jié)到162攝氏度，在整個固化成型工藝中，規(guī)范記錄復(fù)合材料結(jié)合件溫度。另外，還應(yīng)注意真空泵冷卻用循環(huán)水水壓控制情況[3]，在固化成型操作過程中，冷卻真空泵持續(xù)通過循環(huán)水，確保江循環(huán)水水壓的穩(wěn)定正常。

3.3 熱壓罐壓力、溫度控制

在外加壓、抽真空狀態(tài)下，熱壓罐可在短時間內(nèi)將罐中的溫度調(diào)整均勻，在必要情況下，熱壓罐還可強制降溫，有效加快固化成型速度，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件質(zhì)量。使用熱壓罐對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固化成型，應(yīng)嚴(yán)格控制加外壓和卸掉真空的時間，時間過晚或者過早都會影響結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，對熱壓罐抽真空可快速抽出低分子氣體和揮發(fā)物。加外壓主要是在膠凝狀態(tài)下樹脂相變，加壓時間過早，會導(dǎo)致樹脂流失，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件貧膠[4]，加壓時間過晚，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件內(nèi)部會呈現(xiàn)疏松狀態(tài)，產(chǎn)生氣泡或者孔隙，因此應(yīng)銜接好加外壓和卸真空操作。

4 結(jié)語

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件作為一種新型的材料產(chǎn)品，在航天航空領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，固化成型工藝是保障復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的實際特性和加工要求，采用合適的固化成型方法，嚴(yán)格控制固化成型工藝參數(shù)，規(guī)范熱壓機、烘箱和熱壓罐的操作使用，不斷提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，在未來發(fā)展過程中，應(yīng)繼續(xù)加大對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型工藝的研究，推動復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊德桐.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成工藝操作及控制[J].航天返回與遙感，2013（02）：53-57.

[2]楊德桐.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型工藝參數(shù)控制[J].航天制造技術(shù)，2012（05）：10-13.

[3]陳曉靜.復(fù)合材料構(gòu)件固化成型的變形預(yù)測與補償[D].南京航空航天大學(xué)，2011.

[4]黃其忠，任明法，陳浩然.復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)軟模共固化成型工藝數(shù)值仿真[J].復(fù)合材料學(xué)報，2010（01）：25-31.

作者簡介：童方超，研究方向：材料成型及控制工程。