復合材料熱隔膜預成型工藝分析

鞠強

摘要：復合型材料在飛機結構中的應用逐漸在增多，符合材料的構件也逐漸開始復雜化和大型化，采用傳統的工藝生產，生產效率較低，材料的成型質量也不穩定，根據現實情況的需求，逐漸產生了新型的工藝技術，即熱隔膜成型技術，這種技術和自動鋪帶技術結合，能夠進行熱固性符合材料的預成型，提高了材料成型的效率及質量。

關鍵詞：復合材料;熱隔膜預成型;工藝

引言：

因為復合材料在航空領域的應用日漸廣泛，采用傳統的手工工藝已經滿足不了現實生產的需求，自動鋪帶技術也無法完成異型呈力結構的鋪貼，因此，為了滿足生產需求，隨即研究出了一種新的熱隔膜預成型工藝，這種工藝能將鋪貼好的預浸料層進行增溫增壓，然后將其折成C型或者L型等各種異型結構。本文將對復合材料的熱隔膜預成型工藝進行論述。

一、熱隔膜預熱成型設備參數及工裝設計

熱隔膜成型設備包含這么幾個組成部分：加熱庫、隔膜框、真空床、預熱床等。它的配套系統有熱工系統、真空系統、氣動系統等。單隔膜成型技術可以使用單隔膜設備或者雙隔膜設備，單隔膜設備運轉只需加熱庫、真空床以及隔膜框。雙隔膜成型技術只能使用雙隔膜設備，雙隔膜設備運行時需要隔膜框、加熱庫、移料床、真空床等[1]。在進行熱隔膜預成型時，設備問題或者工藝問題都有可能造成零部件的缺損，如果是設備問題造成的零部件缺損，可以在后期進行設備優化和維護以避免問題發生。如果是工藝因素所致的零部件缺損，則只能優化工藝改善缺陷的產生。工藝因素主要是預成型溫度和成型速率。預成型的溫度對預浸料的流動和變形能力都有決定性的影響，因此也是影響零部件質量的重要因素。一般碳纖維預浸料的預成型溫度在45-80℃，當溫度在45℃時，零件拐角處的褶皺較為嚴重，當溫度在60-80℃之間時，則拐角處表面光滑，沒有褶皺[2]。因為溫度較低時，層間的變形能力較強，而滑動能力弱，所以容易造成褶皺，反之，溫度較高的情況下，層間變形能力和滑移能力基本相同，所以不容易產生褶皺。所以，在實際生產時，最合適的溫度是60℃或者80℃，以這樣的溫度進行熱隔膜預成型是最佳的。

在進行熱隔膜預熱成型時，不同階段的溫度、壓力都會產生變化，但這時成型工裝卻不能發生型變，它需要保持一定的熱穩定和剛性。因為隔膜薄，因此工裝必須平整光滑、無縫隙，無鋒利尖角。成型工裝在熱隔膜成型時對零件的外形具有重要的決定作用。成型工裝主要分為陰模和陽模，陰模工裝預成型的零件質量較難把控，因此熱隔膜成型一般不采用陰模工裝。而陽模工裝加工起來容易得多，成本也低，適合自動鋪帶技術，常被作為雙隔膜預成型的工裝。

真空速率對零件的質量也有重要影響，在雙隔膜預成型時，雙隔膜間和真空床都是兩個密閉空間，雙隔膜間真空可以確保層壓件免受自重影響而變形，單隔膜預成型只需控制真空床壓力。根據實驗，當溫度處于80℃時，利用三種不同速率進行C型梁的預成型，三種速率中，速率越大的情況下，零件拐角褶皺越嚴重，因為真空速率增加時，拐角變形速度就會加快，預浸料層間的滑移變弱，所以易形成褶皺。

二、熱隔膜預成型工藝技術過程

熱隔膜預成型是對復合材料進行預成型的一種方法，它是鋪貼一個工裝大小的層壓件，在隔膜間給予增壓增熱，讓層壓件逐漸與工裝表面貼合，從而形成所需的零件外形。這也屬于一種折彎方法，也就是短時間內利用隔膜輔助，預成型一種內部沒有孔隙，拐角沒有褶皺且沒有纖維屈曲的零部件。如果對熱隔膜預成型工藝下的零部件按照成型方向劃分，可以劃分為兩種，即正向法和反向法，正向法是隔膜從上之下，讓層壓件與工裝表面貼合并包住工裝表面，反向法剛好相反。如果按照工藝分類，則分為單隔膜預成型和雙隔膜預成型。兩種方法的具體情況如下：

（一）單隔膜預成型的過程是將平板預浸料放在工裝表面，將隔膜放在平板預浸料的上面，用隔膜框夾住隔膜，利用紅外進行加熱，等到溫度達標后，通過對真空速率進行控制，讓平板預浸料慢慢折彎，最后貼合在工裝面上，這樣就形成了需要的材料形狀。

（二）雙隔膜預熱成型的過程是將平板預浸料固定在兩個隔膜的中間，隔膜上下放置，用隔膜框夾住隔膜，然后抽取真空來增壓，再利用紅外加熱，等到溫度達到預設的標準后，再繼續抽真空，最終讓兩個隔膜間的平板能夠最大限度地貼合在工裝表面，這樣就形成了需要的形狀。

（三）單隔膜預成型和雙隔膜預成型都有各自的優缺點。單隔膜預成型對于抽真空的速率無法進行精確控制，因此零件內夾雜的氣體也無法有效排出去，零件內部會形成大量孔隙，所以零件的內部質量不佳[3]。另外，因為自重原因致使拐角處有很多褶皺，在單隔膜預成型過程中，對于層壓件不能進行準確定位，所以很容易造成滑動，現實生產中不方便使用。但是，從隔膜的使用方面來看，它的工藝簡單，可以節省原材料成本，預成型的時間也會縮短。雙隔膜預成型過程中，因為層壓件在兩個隔膜之間，所以真空速率能得到較好的控制，因為層壓件被牢牢夾緊，因此滑動的現象明顯減少了很多。用雙隔膜成型工藝來預熱成型相同厚度的C型零部件，可以形成表面質量較好的零部件。但是如果預熱成型變厚度的零部件，在同等真空速率下，層壓件較薄的部分抗壓力較弱，因此容易造成預成型時，層壓件薄的區域拉拽厚區域的材料，造成厚區域材料滑動到薄的區域，在薄厚過度的位置容易產生褶皺，尺寸精度無法保證。

結語：

熱隔膜預成型工藝在航空領域的應用比較廣泛，它與自動鋪帶技術結合形成了一種重要的工藝方法，在工藝進行中，選擇合適的參數，能夠確保材料的質量和外觀都能達到預期。利用科學合理的方法熱隔膜預成型工藝操作，對于制造一些異型結構的材料是很有幫助的，但是還需要更為詳盡的數據和實驗作為依據。目前，熱隔膜成型并沒有被人們廣泛認知和發展，但是隨著技術的革新和應用范圍的擴大，這種成型技術將會越來越受到青睞。

參考文獻

[1]黃彬瑤，張君紅.熱隔膜成型技術工藝進展研究[J].新材料產業，2017（10）：50-54.

[2]趙學瑩，戴東梅，宋春杰，等.熱固性碳纖維復合材料熱隔膜預成型工程化應用研究[J].纖維復合材料，2017，34（1）：18-23.

[3]王立冬，魏冉，徐鵬，等.基于溫度的隔膜超彈性本構模型[J].上海交通大學學報，2017，51（9）：1025-1030.