復合材料結構件固化成型工藝參數控制

摘 要：復合材料在實際應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，在航天飛行器中應用廣泛。和普通金屬材料相比，復合材料結構件固化成型工藝便于加工、操作、拆卸和組裝，通過合理控制復合材料結構件固化成型工藝，可有效提高結構件質量和使用性能。本文首先對復合材料結構件做了概述，分析了復合材料結構件固化成型工藝。在探討復合材料結構件固化成型工藝的基礎上，研究了其整體固化成型工藝參數控制。

關鍵詞：復合材料結構件；固化成型；工藝參數；控制

隨著復合材料結構件的應用范圍越來越廣泛，其固化成型工藝要求越來越高，研究其參數控制凸顯出重要意義。作為一向實際應用效果良好的結構件，復合材料結構件得到了長足的發展和進步。該項課題的研究，將會更好地提升其實踐水平，從而有效優化復合材料結構件的整體水平。

1 復合材料結構件概述

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

2 復合材料結構件固化成型工藝

（1）手糊。手糊固化成型工藝適用于形狀結構復雜、面積較大的復合材料結構件，其主要是按照標準的鋪層方法，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、圓管等結構件中，在纏繞機上放上芯模，將結構件纏繞成型以后，然后進行加熱固化，最后將芯模取出，加工成制品；（3）模壓。模壓適用于質量要求高、尺寸小、形狀結構復雜的復合材料結構件，在專用模具中將預浸料填充密實，結合進行合模，采用標準加工工藝，最后加熱固化。

3 復合材料結構件固化成型工藝參數控制研究

復合材料結構件固化成型工藝參數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上是一個對復合材料結構件加壓、加熱的過程，使纖維和熱固性樹脂相結合，從而形成復合材料結構件。因此，固化成型工藝參數控制對于復合材料結構件質量有著直接的影響。

（1）熱壓機壓力、溫度和操作控制。在使用熱壓機過程中，應結合實踐經驗和具體情況，嚴格控制熱壓機運行工藝參數，在加熱過程中，下層和上層加熱板溫度應明顯高于中間層加熱板溫度，結合復合材料結構件的形狀、結構和設計要求，合理把握熱壓機加熱時間。對于復合材料的碳纖維制品，在使用固化工藝時，按照工藝參數要求，當碳纖維制品溫度達到130攝氏度時再進行一次加固，但是在實際操作應用中，在碳纖維制品溫度達到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，再加壓已經沒有效果。同時，結合不同季節的溫度變化，合理控制模具溫度和加熱板溫度之間的溫差，夏季應盡量減小溫差，冬季應盡量增大溫差[2]；（2）烘箱溫度控制。復合材料結構件放入烘箱中進行固化成型工藝，會經歷兩個溫度折點，如圖1所示，因此在進行固化成型工藝之前，應先了解工藝流程，在保溫階段應保溫，在加熱階段應加熱，特別注意在溫度折點附近時，嚴禁超溫，保障復合材料機構件質量。

在操作過程中，當模具溫度低于烘箱溫度15攝氏度時不再加溫，這時到達第一個轉折點，當模具溫度逐漸上升，至折點還差4攝氏度時，將烘箱溫度調節到115攝氏度，使復合材料結構在第一個轉折點周圍保持恒溫，然后適當延長保溫時間，在到達第二個轉折點時，持續保溫2h，當模具溫度達到155攝氏度時，烘箱溫度下降到167攝氏度，當磨具溫度達到158攝氏度時，烘箱溫度調節到162攝氏度，在整個固化成型工藝中，規范記錄復合材料結合件溫度。另外，還應注意真空泵冷卻用循環水水壓控制情況[3]，在固化成型操作過程中，冷卻真空泵持續通過循環水，確保江循環水水壓的穩定正常。

3.3 熱壓罐壓力、溫度控制

在外加壓、抽真空狀態下，熱壓罐可在短時間內將罐中的溫度調整均勻，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，提高復合材料結構件質量。使用熱壓罐對復合材料結構件進行固化成型，應嚴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構件質量，對熱壓罐抽真空可快速抽出低分子氣體和揮發物。加外壓主要是在膠凝狀態下樹脂相變，加壓時間過早，會導致樹脂流失，使得復合材料結構件貧膠[4]，加壓時間過晚，復合材料結構件內部會呈現疏松狀態，產生氣泡或者孔隙，因此應銜接好加外壓和卸真空操作。

4 結語

復合材料結構件作為一種新型的材料產品，在航天航空領域發揮著重要作用，固化成型工藝是保障復合材料結構件質量的關鍵環節，應結合復合材料結構件的實際特性和加工要求，采用合適的固化成型方法，嚴格控制固化成型工藝參數，規范熱壓機、烘箱和熱壓罐的操作使用，不斷提高復合材料結構件質量，在未來發展過程中，應繼續加大對復合材料結構件固化成型工藝的研究，推動復合材料結構件在更多領域的應用。

參考文獻：

[1]楊德桐.復合材料結構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.復合材料結構件固化成型工藝參數控制[J].航天制造技術，2012（05）：10-13.

[3]陳曉靜.復合材料構件固化成型的變形預測與補償[D].南京航空航天大學，2011.

[4]黃其忠，任明法，陳浩然.復合材料網格結構軟模共固化成型工藝數值仿真[J].復合材料學報，2010（01）：25-31.

作者簡介：童方超，研究方向：材料成型及控制工程。