热压罐成型复合材料成型工艺的常见缺陷及对策
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作者:胡大豹
摘 要：随着先进复合材料在飞机上的大量应用，复合材料低成本成为目前面临的重要课题，飞机复合材料构件种类繁多，工艺控制难度大，缺陷会严重影响符合材料构件表面质量，本文对热压罐成型符合财力结构制造缺陷的形成机制进行分析，包括等厚板孔隙缺陷，整体成型中的分层扩展，建立复合材料热压罐工艺制造缺陷分析系统，为航空复合材料主承力结构制造缺陷控制，促进工程应用奠定技术基础。
关键词：热压罐;复合材料;成型工艺;缺陷
热压罐成型方法具有许多其他工艺不具备的优点，可制造形状复杂的制件，制品质量问题，成型工艺灵活，适于生产大面积整体成型构件，纤维含量高，孔隙率低。热压罐成型工艺具有设备投资高，成型周期长的特点，热压罐成型复合材料构件主要缺陷包括外形尺寸与内部治理等，内部质量包括分层，夹杂等。造成缺陷的原因种类繁多，包括制造中的人机料法环各环节的相关工序。本文分析非等厚板材常见缺陷产生原因，分析内容对复合材料零件質量控制具有一定的借鉴作用。
一、热压罐成型工艺特点
热压罐成型工艺主要是将复合材料毛坯或交接结构用真空密封在热压罐中，用罐体内部均匀温度场对成型中的零件施加温度压力，使其成为所需要的形状与质量状态的成型工艺方法。
其成型工艺特点主要是罐内压力均匀，真空带内的零件在均匀压力下成型。适用范围广，成型工艺稳定，热压罐温度条件几乎满足所有聚合物基复合材料的成型工艺要求。可保证成型的及零件质量问题，热压罐成型工艺制造的层合板孔隙率较低，相对其他成型工艺成型层板力学性能稳定。
热压罐工艺存在一些不足，投资建造大型热压罐的费用很高，需专人操作，成型过程中耗费大量能源，形状复杂的结构不适用热压罐成型工艺，可根据具体情况选择RTM低成本成型工艺。
二、内部质量
（一）非等厚层板缺陷分析
复合材料零件的内部质量主要通过无损检测方法判定，零件的材料类型，外形尺寸不同，产生的缺陷不同。非等厚板是基本的复合材料结构形式，广泛应用于航空航天等翼面及壳体结构，非等厚板材的树脂流动包括沿垂直于层板方向流进吸胶层，与在层板内沿平行纤维方向流出两种形式。面内尺寸大于厚度尺寸时，可认为树脂只沿厚度方向流动。压力传递与温度分布较均匀，出现缺陷比例较低。在厚度梯度区树脂可沿厚度方向流动，存在渗流机制与剪切流机制之间的耦合作用。树脂有由平板向梯度区流动的趋势。
非等厚层板外压作用下梯度区纤维可能发生滑移，层板在过渡区出现富脂等缺陷。由于复合材料的各向异性，引起膨胀系数与热应变的各向异性。在铺层长短搭接处出现分层等缺陷[1]。
（二）曲率构件缺陷分析
工程制造中，对非等厚层板在铺叠时采取多次抽真空压实，可通过预吸胶工艺吸走多余的树脂。梯度宽度减小会增加缺陷的比例，铺层变化应避免突变，阶梯宽度应大于2MM，尽量降低产生缺陷的比例。曲率构件包括L型与U型等曲率半径变化较大的构建，由于其本身的曲面结构，其成型过程比平板复杂。弧形构件预浸体系受外界压力后，内部形成应力状态。剪切应力大致拐角区域在密实中纤维发生剪切变形。造成纤维变形[2]。拐角区是缺陷密集区，阴模成型时，铺叠过程中纤维易架桥，拐角易产生富树脂，阳模成型时，拐角厚度偏薄，易造成分层等缺陷。影响拐角区缺陷的主要因素包括材料及铺层设计，受模具圆角半径等影响，圆角半径设计过小可能在拐角区发生纤维拉断等制造缺陷，设计复合材料结构时，拐角处尽量给出较大半径，复合材料层压零件最小圆角半径按经验公式rmin=1+0.1n计算。N为拐角处层数，用阳模铺贴r≥t，用阴模铺贴R≥2t，R为圆角半径。t为平板区域的厚度。
三、外形尺寸
影响零件外形尺寸的因素主要由固化变形导致的尺寸变化，从变形产生机理可分为热应力，温度梯度与树脂固化度等。复合材料铺层在不同主轴方向具有不同的热膨胀系数，温度改变引起热膨胀与铺层方式关系密切。
曲率零件即使采用对称铺层，成型过程中材料因温度变化效应在应变在各方向并非一致。导致复合材料结构件的回弹固化变形。对称蒲城弯曲零件受温差δt作用，零件拐角变为θ+δθ。
热固性树脂在聚合反应时，交联密度增加伴随体积减小，固化收缩过程中横向收缩应变大于轴向。固化早期反应树脂处于粘流态，但不产生残余应力。
热固性树脂的化学反应速度与所处温度有关，如零件部位温度在固话中保持均匀分布，各部位温度在固话中无法保持均匀分布，基体树脂的反应造成树脂模量与固化收缩应变不一致。薄层板差异很小。厚层板由于其低的横向热传导系数，层板中间温度小于表面温度，化学反应热迅速增加。固化过程层板内部显著的温度与固化梯度。较快的加热速率影响模具温度场均匀性，内部产生明显的温度梯度。较慢的加热速率会造成工时的增加。
四、结语
非等厚板材梯度区的分层的主要区域，与树脂的二维流动有关，合理的铺层设计可有效解决过渡区的缺陷。模具与零件相互作用等是影响固化变形的主要因素。结构设计及生产过程控制等是减少变形的有效方法。曲率构件拐角是缺陷产生的密集区，与刮胶区受力有关，通过合理的设计模具，可大大改善产品质量。
参考文献：
[1]史晓辉.基于热压成型工艺的热塑性复合材料在民机上的应用[J].科技视界，2019（09）：4-6+22.
[2]董广雨，丁玉梅，杨卫民，谢鹏程.连续碳纤维复合材料热压成型工艺条件优化研究[J].化工新型材料，2018，46（08）：71-74.
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