獨立壓力源熱脹成型工藝在成型中空復合材料制件中的應用

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(貴州省材料產業(yè)技術研究院，貴州 貴陽 550014)

1 前 言

先進樹脂基復合材料主要是以環(huán)氧樹脂為基材，高性能連續(xù)纖維為增強材料，通過復合工藝制備而成，并且明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料。先進樹脂基復合材料制造技術在很大程度上決定了復合材料構件的質量，成本和性能[1]。先進復合材料制品工藝方案的制定主要依據(jù)產品形狀、結構構型、幾何尺寸以及使用要求而定。目前應用較多的成型技術有：熱壓罐成型技術[2]、液體成型技術(包括RTM成型技術、VARI成型技術等)、拉擠成型技術[3]、自動鋪放技術等。隨著復合材料在航空航天領域的大量應用，制件形狀復雜及力學性能等要求，常用的成型技術已不能滿足。因此，針對形狀復雜的構件衍生出多種新成型技術，如袋壓成型技術、熱脹成型技術等[4]。

先進樹脂基復合材料的成型技術的關鍵在于在樹脂固化的同時對預鋪設胚體施加一定的壓力以增加材料的致密性，從而提高材料的性能。復合材料成型工藝的關鍵在于溫度與壓力、加壓時間的匹配。對于復雜結構制品的整體共固化、多腔體和封閉結構的成型常采用熱脹成型工藝。熱脹成型即模具受熱后，由于芯模材料熱膨脹系數(shù)比外模大，體積膨脹受到限制，在模腔內產生壓力，即熱脹壓力，以此實現(xiàn)對復合材料固化過程的加壓。常規(guī)的熱壓袋法如果發(fā)生熱壓袋的泄露會造成整個成型工藝的失敗，而采用熱膨脹微球作為獨立膨脹壓力源的熱脹成型工藝則可規(guī)避袋壓成型法的缺點，產生的壓力均勻分布且不會出現(xiàn)因漏氣而實驗失敗的情況。

2 熱脹成型法基本原理

熱脹成型法以受熱容易發(fā)生膨脹的材料作為芯模，不易發(fā)生變形的剛性材料為陰模，要成型的復合材料則放置在芯模和陰模之間。當加熱模具時，芯模材料受熱膨脹，芯模膨脹所引起的體積增大受到剛性陰模的形狀限制而只能在陰模內部膨脹，產生的壓力即是復合材料的成型壓力，稱為熱脹壓力。熱脹成型法無需外接壓力源，適合于復雜形狀制件的一體成型，尤其在某些中空以及多腔體結構中，規(guī)避了外壓法中外接壓力難以均勻傳遞的缺點，對于成型此類結構制件具有無可比擬的優(yōu)勢[5]。熱脹成型法應用于復合材料成型中，首先在設計好的剛性陰模內按要求鋪設預浸料，然后在模具腔體內放置芯模，模具組裝完成后進行加熱，受熱膨脹的芯模給予預浸料復合材料一個較大的均勻的由內向外的壓力使其緊貼在剛性陰模內表面，促使復合材料固化。

采用R-10301硅橡膠的熱膨脹性能作為熱脹成型的芯模材料可制備出性能優(yōu)異復合材料制件[6]。但對于需取出芯模材料的制件，硅橡膠作為芯模材料就很難清理，相對較難實現(xiàn)。本文介紹一種以熱膨脹發(fā)泡劑作為芯模材料來制備中空復雜構件，采用熱膨脹微球作為芯模材料，該芯模材料在制品固化后容易取出。

3 實驗部分

3.1 主要試劑、原料和設備

膠囊型熱膨脹微球：F36；水溶性硅膠：常規(guī)；鋁粉：市售(200目)；碳纖維預浸料：C0200。

SCF-105型激光粒度分析儀；AL204型電子天平；烘箱；XSP-8C A型光學顯微鏡；金相尺寸分析軟件：image pro plus。

3.3 熱脹成型法工藝過程

針對采用熱膨脹微球的熱脹成型法，本研究小組自行設計一種新型工藝，具體如下：

(1)制備水溶性芯模：取一定比例水性膠粘劑、膨脹微球、金屬導熱粉及無機填料混合；充分攪拌均勻后形成面團料，將物料在模具內成型，獲得芯模初坯，將芯模初坯在40～50℃下烘干30～60min，獲得具有一定強度的水溶性的熱脹成型芯模，該芯模比剛性陰模略小，足以在其上放置預浸料并能一起放入剛性模具內。其中，水性膠粘劑為水溶性硅橡膠，水性膠粘劑的固體含量為50～60%；金屬粉導熱粉為100～320目的鋁粉；膨脹微球為微膠囊型熱膨脹微球。

(2)成型制件：將水溶性的熱脹成型芯模使用在復合材料熱膨脹工藝中，將水溶性的熱脹成型芯模放置在待成型位置，在加工溫度為100～300℃的條件下，加熱1～3h，待復合材料制品完全固化后，以水溶的方式將成型芯模溶出。

3.4 微球平均粒徑以及粒度的分布測試

取少量沖洗干凈并且烘干的熱膨脹微球，加入約30mL蒸餾水，攪拌均勻后用超聲波分散2min；使用激光粒度分析儀分析熱膨脹微球的平均粒徑以及粒徑分布。

3.5 熱膨脹微球的發(fā)泡性能的測定

取少量熱膨脹微球均勻置于載玻片上，使用目鏡×10，物鏡×4觀察熱膨脹微球形貌。將熱臺提高溫度，錄下發(fā)泡過程。使用數(shù)字記錄儀記錄下集中發(fā)泡溫度、破泡溫度，然后計算獲得穩(wěn)泡溫度。

取約300個熱膨脹微球，分別測定發(fā)泡前后的直徑，算得發(fā)泡前后平均粒徑d0、d，計算得到其發(fā)泡倍率d/d0。

4 結果與討論

對于熱脹成型工藝，芯模材料的選擇至關重要，一方面材料受熱時會膨脹產生壓力，另一方面材料受熱膨脹能與樹脂固化所需溫度同步。因此，有必要研究上述工藝所采用的芯模材料-熱膨脹微球的性能。

4.1 微球發(fā)泡劑膨脹機理

微球發(fā)泡劑是以熱塑性高分子為殼體，內含液狀低沸點碳氧化合物的微珠。加熱時高分子殼體軟化，其中的液狀碳氧化合物變成氣體，膠囊體因產生的氣體壓力而膨脹，從體積上看可擴大為原來的5～10倍[7]。利用熱膨脹在成型芯膜材料上因外模的限制而產生的壓力，對復合材料預浸料進行施壓，如圖1所示。

圖1 熱膨脹機理Fig.1 Mechanism of thermal expansion

4.2 熱膨脹微球性能研究

測定所用熱膨脹微球粒度分布，結果見表1。由表可知，微球的平均粒徑(又稱中位粒徑)為34.63μm，D90為47.27μm，這說明90%甚至以上的熱膨脹微球尺寸小于50μm。

表1 熱膨脹微球粒度分布Table 1 Size distribution of thermal expansion microsphere

經過以上分析，以及金相顯微鏡觀察結合Image-Pro Plus統(tǒng)計粒徑，本工藝使用的熱膨脹微球顆粒尺寸較小，平均直徑分布在10～50μm之間，其粒徑分布范圍較寬。

4.3 微球發(fā)泡劑膨脹倍率的測定

將三種不同的膨脹微球與水性膠粘劑、金屬導熱粉以及無機填料混合攪拌制成面團料放入模具中，在烘箱中加熱至不同溫度測定不同溫度下的發(fā)泡倍率。從圖2可以看出制成的三種發(fā)泡劑在不同溫度下發(fā)泡變化不一，在發(fā)泡劑選用時根據(jù)樹脂固化曲線選擇合適的溫度作為樹脂固化時的壓力源。圖中可見，F(xiàn)-48以及F-36LV這兩種膨脹微球的發(fā)泡峰值點在130℃左右，而F-36的峰值點在140～150℃之間，符合要求的固化溫度區(qū)間，因此，選用F-36膨脹微球。該膨脹微球屬于低溫膨脹型，120～160℃時為高發(fā)泡溫度區(qū)間，在所需加熱溫度下，其膨脹倍率為50～100倍。

圖2 微球發(fā)泡劑發(fā)泡倍率與加熱溫度之間的關系圖Fig.2 Relationship between the foaming ratio and heating temperature

4.4 熱膨脹壓力與時間的關系

圖3 熱膨脹壓力與加壓時間之間的關系圖Fig.3 Relationship between the thermal expansion stress and pressure time

利用自行設計的壓力測試儀測試熱膨脹壓力與加壓時間之間的關系，如圖3所示，可以看出，這種新型微球發(fā)泡劑產生的壓力在一定跨度內隨著時間的延長幾乎呈線性關系增長，因此可以產生穩(wěn)定可控的壓力，對于成型中空復雜制件具有較大的優(yōu)勢。

4.5 應用實例

利用獨立壓力源熱脹成型工藝成型中空異形飛機操縱桿，成型材料為T700碳纖維預浸料，流程如下：

(1)根據(jù)前述工藝制備所需熱膨脹成型模具；(2)預浸料按一定的大小尺寸裁切好后，將復合材料按一定的鋪層方向鋪設在芯模上，將預浸料鋪設完畢后合上模具，將模具整體一并放入120℃的烘箱中加熱2h；(3)待樹脂固化后取出產品，并將產品在水中浸泡10min，芯模材料遇水后變軟，用高壓水槍將產品內芯殘留的發(fā)泡材料沖出，即可得到所需產品。根據(jù)制件的結構特點和要求，一次性固化成型，其外觀、內腔平整光滑，拐角處過渡均勻，外形尺寸以及定位尺寸完全滿足設計要求。

4.6 對比實例

以芯模材料為熱膨脹硅膠的熱脹成型工藝制備中空異形飛機操縱桿與4.5節(jié)所述實例進行對比。對比例與應用實例制得的產品質量以及制備過程比較如表2所示。

表2 成型件芯模采用兩種不同材料與工藝的對比Table 2 Comparison of the core model of forming parts with two different materials in case 1

由表可見，本文介紹的工藝方法在整體生產時間上比前人所用技術快了4倍以上，其主要原因是脫模過程的大幅簡化，能使脫模時間極大縮短，而且還使產品的整體質量良好。

5 結 論

本文介紹了一種基于水溶性熱脹成型芯模的熱膨脹成型工藝，工藝設計一種水溶性的熱脹成型芯模，該成型芯模在受熱條件下膨脹，在產品成形完成后又能以水溶的方式溶出，具有成型效果好，工藝簡單，成本低廉等優(yōu)點，適合于以預浸料來制作的中空復雜制品。

所用熱膨脹微球粒度尺寸為10～50μm，膨脹倍率為50～100倍，相比于諸如袋壓法等，每個微球都是一個獨立壓力源，不存在漏氣的問題。復合材料預浸料在微球壓力下緊貼剛性陰模壁彎曲形成的預應力提高了材料的強度，對于成型復雜復合材料制件具有不可替代的優(yōu)勢。