復合材料熱壓罐成型工藝實驗教學探討

李艷霞, 顧軼卓, 李 敏

(北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京市材料科學與工程實驗教學示范中心，北京 100191)

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復合材料熱壓罐成型工藝實驗教學探討

李艷霞, 顧軼卓, 李 敏

(北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京市材料科學與工程實驗教學示范中心，北京 100191)

通過復合材料熱壓罐成型工藝實驗，讓學生實踐原材料—工藝—性能關系的復合材料制備全過程，掌握濕法制備預浸料與熱壓罐成型工藝的基本實驗技能，同時學生自主設計實驗方案，激發其綜合運用課堂理論知識。實驗課程內容對于學生理解復合材料熱壓罐成型工藝的原理和復合材料的復合效應、性能的可設計性、構件與材料同步性等具有重要意義。

樹脂基復合材料； 熱壓罐工藝； 實驗教學

0 引 言

實驗教學是增強學生感性認識、鞏固和拓展知識與技能、提高分析和解決問題能力的重要教學環節，對于培養學生創新精神、實踐能力和綜合素質具有重要的作用[1]。近年來，實驗教學逐漸由以往課堂理論教學的“輔助”地位向高素質創新型人才培養過程中“貫穿始終、不可或缺的重要組成部分”轉變[2]，并且實驗類型由傳統驗證性實驗向自主型、研究型實驗課程轉變，更加強調學生的主導作用[3-6]。

復合材料由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質復合而成的一種新的固體材料，先進樹脂基復合材料是以有機高分子材料為基體、高性能連續纖維為增強材料、通過復合工藝制備而成，并具有明顯優于原組分性能的一類新型材料。復合效應、性能的可設計性、多功能兼容性和材料與構件制造的同步性是先進樹脂基復合材料不同于傳統材料的顯著特點[7-8]，而設計、材料、工藝、性能四者之間密切相關性，使得復合材料具有明顯的多學科交叉特點[9]。為滿足我國各行業對復合材料專業學生素質的要求，培養基礎知識深厚、工程實踐能力扎實的創新型復合材料工程人員，武漢理工大學材料學院針對復合材料本科專業開設綜合性實驗，課程涵蓋復合材料的組分(基體材料與增強材料)、成型工藝、成型條件與性能之間相互關系，體現“組分”、“結構設計”、“材料工藝”和“性能”四項材料科學研究的核心[10]。天津工業大學在本科專業教學中，開設復合材料專業實驗課程，以復合材料原材料、加工制備、性能檢測等實驗基本技能和應用技術培養為核心，引導學生自主實驗，強調實驗教學，不僅要有利于學生對科學知識的學習，同時提高學習興趣、培養實驗能力、增強探究意識和促進創新能力培養[11]。北京航空航天大學材料科學與工程學院教學實驗中心以材料科學與工程“成分/組織”-“合成/制備工藝”-“性能”-“使役性能”四要素及其相互關系為綜合實驗教學改革的基本設計理念[12-13]，創建材料大類專業基礎綜合實驗教學和專業特色實驗教學相呼應的實驗課程體系,先進樹脂基復合材料制造特色實驗是五大專業特色課程之一。

熱壓罐成型一直是航空航天領域生產高性能復合材料構件最重要的制備方法，占整個復合材料產量的80%以上。復合材料熱壓罐成型工藝實驗課使學生參與從原材料、工藝制備到性能測試的全過程，具體包括樹脂膠液配置、預浸料制備與基本特性測試、預浸料裁剪鋪貼封裝、復合材料成型，使學生了解預浸料含膠量控制方法、預浸料晾置儲存的方法和基本要求，了解排布機、熱壓罐等設備的組成、用途和使用方法以及一般注意事項，掌握預浸料裁剪、鋪貼操作技能，熟悉先進復合材料熱壓罐工藝的各環節和操作方法，通過學生分組實驗與自主設計各實驗環節的可調控因素，綜合分析實驗數據，理解復合材料成型工藝原理和工藝控制理論。同時，北京市聚合物基復合材料高技術實驗室熱壓罐設備有效集成了科研成果，可以對罐內氣氛溫度、壓力、真空度，復合材料層板內部溫度、樹脂壓力等信息進行工藝過程在線監測，為實驗課程的開展提供良好的實驗平臺。復合材料熱壓罐成型工藝特色實驗，即有傳統的驗證型實驗特點，同時注重自主設計方案以及實驗結果的綜合分析，可以使學生體驗一般科研課題的全過程，既提升了學生對課堂理論知識的理解，也增強了學生的學習興趣。

1 實驗設計

復合材料成型過程是材料-工藝-性能鏈條的關鍵環節，也是實現纖維性能向復合材料性能高效轉換的關鍵，而其成型過程復雜的物理化學變化，涉及到高分子物理、高分子化學、滲流力學、材料力學等多個科學知識。熱壓工藝制備復合材料包括樹脂膠液配制、預浸料制備、預浸料鋪層設計、剪裁、鋪疊與封裝、熱壓罐成型等多個實驗環節，反應了復合材料成型特點，通過本實驗對于增強學生多學科知識綜合運用能力以及深入認識與理解復合材料成型工藝具有重要意義[14]。圖1為先進復合材料熱壓罐成型工藝特色實驗方案與技術路線圖。

2 實驗設備

本實驗用設備包括烘箱、冰箱、天平、電吹風、TPJ-2型排布機、熱壓罐，溫度與壓力監測設備等，熱壓罐設備有效集成實驗室已有多項研究成果，可以對罐內氣氛溫度、壓力、真空度，復合材料層板內部溫度、壓力等進行在線監測[15-16]。實驗所用材料包括：纖維、樹脂及輔助成形材料等。圖2為TPJ-2型排布機，圖3為熱壓罐設備及其在線監測系統。

圖1 實驗方案及技術流程圖

圖2 TPJ-2型排布機

圖3 熱壓罐及其在線監測系統

3 實驗預習

(1) 學生進入實驗室之前，必須首先查閱資料，熟悉有關濕法預浸料制備、熱壓罐成型工藝的基本知識，熟悉復合材料鋪層設計理論、工藝參數擬定方法；

(2) 熟悉輔助材料的種類、作用原理，真空袋封裝順序及注意事項；

(3) 學生自己組合3或4人為一組，按要求進行樹脂膠液配制、預浸料制備、預浸料特性測試，預浸料裁剪、鋪貼、封裝 及熱壓罐成型。

(4) 實驗課堂采用提問和講解相結合方式，促使學生思考并掌握樹脂膠液配制、預浸料制備及性能測試的方法和注意事項，掌握輔助材料的作用及其鋪放順序。在此基礎上，學生自主設計具體實驗內容(鋪層方式、鋪層數、結構形式、工藝參數等)，使學生了解復合材料制備過程及其注意事項(如預浸料鋪疊技巧、空氣夾雜、真空嘴位置對氣路的影響等)，增強學生對復合材料的感性認識，理解復合材料的復合效應、性能的可設計性以及材料與構件制造的同步性等。

4 實驗方法

(1) 樹脂膠液配制。樹脂牌號：環氧樹脂，其AB組分其質量比為500：461，按配比用2 L燒杯配制環氧樹脂200 g，并混合均勻；先向樹脂中加入100 mL丙酮，將樹脂稀釋到容易流動的狀態；稀釋后的樹脂倒入量筒中，密度計測量密度，調控丙酮加入量，配制膠液密度達到0.966 g/cm3。

(2) 預浸料制備。采用實驗室TPJ-2型排布機制備濕法預浸料。樹脂含量是評價預浸料的主要性能指標，其主要影響因素包括膠液密度、輥筒轉速和纖維張緊力。膠液密度大，纖維張緊力小，輥筒轉速慢，導致預浸料的樹脂含量提高，反之則降低。同時，紗間距和纖維張緊力影響纖維之間的搭接和縫隙，纖維張緊力大，纖維絲束展開較寬，需要設定大的紗間距；反之則需要小的紗間距。排布過程中，膠液密度0.966 g/cm3，輥筒轉速一般定在10 r/min，通過調節張緊力和紗間距，使排布過程中不出現纖維搭接和縫隙，如緊力過大，會導致預浸布取下后纖維回縮，發生聚集打彎。所以一般先將纖維張緊力調節到合適水平，然后調節紗間距，來減少纖維搭接和縫隙的出現。

(3) 預浸料鋪層設計、裁剪、鋪疊、封裝。性能的可設計性是復合材料特點之一，具體表現為依據復合材料使用要求，選擇纖維、樹脂種類，設計纖維含量、鋪層方式，以及成型方式等。預浸料鋪貼時注意事項：①為了便于鋪層，可用電吹風或電熨斗加熱預浸料，將變軟的預浸料按照預設的鋪層順序在模具上鋪貼；②預浸料的鋪貼時，應使其與模具面貼合。鋪層之間不允許夾裹氣泡、雜質，鋪層也不允許褶皺、纖維屈曲；③對于拐角位置，在鋪貼預浸料時，應特別注意與模具完全貼合和層間貼合，防止架橋；④每鋪放3～6層，可利用真空袋抽真空進行預壓實，以幫助零件成形。

(4) 溫度與樹脂壓力在線監測。講解熱壓罐設備組成及工作原理，包括加熱、冷卻、加壓、真空系統等。使學生了解熱壓罐內溫度、壓力傳遞的特點以及熱壓罐內溫度和壓力在線監測方法和工作原理。

(5) 熱壓罐工藝制備復合材料。典型的熱壓罐成型復合材料的工裝示意圖如圖4所示，封裝成型過程注意事項：首先，細顆粒砂紙打磨熱壓罐載物車鐵板表面，棉紗蘸丙酮擦拭干凈，保證表面的光潔度；其次，先在模板上鋪覆一層隔離膜，再將鋪疊好的預浸料疊層放置在模板上，四周用擋膠條擋住，防止流膠，同時在層板周邊用帶孔四氟布條作為層板固化過程中導氣通路放置于擋膠條四周。然后鋪放隔離膜和吸膠材料，最后，依次鋪放透氣氈、密封膠條、真空薄膜、真空嘴，打真空袋。打開熱壓罐操作系統中的真空泵，抽真空到-0.1 MPa，停止抽真空，若袋子能保真空95 kPa以上1 min不降低，可認為真空袋密封良好，將載物車推入熱壓罐內，并在模板上貼一根熱電偶以測量模具和罐內熱空氣的溫度差，以便在成形過程中根據模具的溫度隨時調節溫度和壓力制度，確定加壓時機。關閉罐門，設置工藝參數進行固化，固化過程中要始終注意罐內壓力和溫度變化，確保熱壓罐運行安全。按照固化制度固化完成后，開罐取出層板。通過敲擊、目測以及厚度測量，分析層板的成形固化質量。

圖4 典型的熱壓罐成型復合材料工裝示意圖

(6) 實驗設計與報告撰寫。根據復合材料特點，學生可以從鋪層方案、結構形式、工藝參數等幾個方面自主設計實驗方案，在實踐復合材料熱壓罐成型工藝的過程中，體驗科研課題的一般過程，分析材料—工藝—性能關系，理解復合材料成形過程發生的物理化學變化以及科研課題的一般性研究方法。

實驗方案設計包括鋪層方案(鋪層方式、角度、層數)、結構形式(等厚層板、變厚度層板、帶曲率層板)、工藝參數(平臺溫度、工藝壓力、加壓時間)。

測試表征參量包括初始狀態(單層預浸料厚度、預浸料疊層厚度、預浸料纖維體積含量、揮發分含量)；復合材料層板(吸膠量、層板尺寸、纖維體積分數、孔隙率含量以及基本力學性能)；在線監測參量(溫度和液體壓力)。

根據復合材料成型工藝條件和實驗數據，對比分析鋪層方式、工藝參數、結構形式對成型質量的影響，包括層板尺寸、纖維含量、孔隙率，結合在線測試獲得的溫度、樹脂壓力分布，利用所學理論知識(包括固化與流動特性、纖維鋪層滲透率、壓縮特性等)分析影響制件成型質量的因素。

5 結 語

復合材料熱壓罐成型工藝實驗中實際動手操作使學生親身體驗復合材料制備過程，實驗方案的自主權激發學生主動思考，實踐課堂理論知識并了解一般科研的全過程，對于培養學生規范的操作能力、嚴謹的科研實驗態度具有重要意義。

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Discussion on Experiment of the Autoclave Process of Composites

LIYan-xia,GUYi-zhuo,LIMin

(School of Materials Science and Engineering; Beihang University; Beijing experiment teaching demonstration center for materials science and engineering, Beijing 100191, China)

Through the experiment of the autoclave process of composites, students can understand the process of composites manufacture including the raw materials, process, properties and their relationship. At the same time, they can learn the basic experimental skills. The experimental program designed by oneself can drive the students to think and integrate the theoretical knowledge learnt in the classroom. It is helpful for students to understand the principle of composite autoclave process and composite effect, designability and synchronization of materials and components of the composite.

polymer composites; autoclave process; experiments

2014-06-12

北京航空航天大學教學改革項目

李艷霞(1977-)，女，山東寧津人，博士，講師，北京航空航天大學，主要從事先進樹脂基復合材料工藝研究與實驗教學。

Tel.:18201687800; E-mail:liyanxia@buaa.edu.cn

TB 332；G 642

A

1006-7167(2015)05-0186-03