小型無人機復合材料圓管的成型工藝

張旭東 趙偉超 張 娟

（1 西北工業(yè)大學365所，西安 710065）

（2 西安航空制動科技有限公司，西安 710065）

0 引言

樹脂基復合材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比，最為突出的特點是比強度和比模量高、可設計靈活、熱穩(wěn)定性好、物理性能優(yōu)異等［1］，在無人機機體結構上得到了越來越廣泛的應用，且對于中小型固定翼無人機來說，環(huán)氧樹脂體系碳纖維預浸料作為復合材料先驅體，也越來越廣泛應用于輕質(zhì)、高性能復合材料結構中［2-3］。作為連接機翼并支撐垂、平尾的復合材料圓管是固定翼無人機的一個重要受力部件，通常其長徑比大、薄壁，甚至厚度呈階梯分布，使用時要承受彎矩、扭矩和剪力等復合載荷，其中彎矩為主要載荷，因此一般來講，成型的圓管內(nèi)部結構越致密越有利于復合材料優(yōu)勢的整體發(fā)揮，因此成型該產(chǎn)品較為適合的方法為預浸料成型工藝；同時為有效提高尾撐端頭的裝配連接性及氣動外形要求，利用熱膨脹工藝及組合工裝模具可以進一步得到滿足小型固定翼無人機使用的輕質(zhì)、高性能的碳纖維復合材料薄壁類層壓圓管［4-7］。

熱膨脹工藝是指復合材料預浸料在閉合剛性組合模具中橡膠彈性體通過受熱膨脹來實現(xiàn)對復合材料加壓固化的成型工藝方法［8-9］，其成型原理是橡膠彈性體作為“均壓板”受熱膨脹，實現(xiàn)對復合材料固化成型過程中壓力的均勻傳遞和分配。對于碳纖維復合材料圓管成型來說，可以是芯模膨脹、陰模成型，也可以是陰模向內(nèi)膨脹、芯模成型，具體選擇依工藝制造技術而定，一般來說前者成型的產(chǎn)品外形尺寸可控，且有利于后續(xù)內(nèi)形的裝配連接，后者則反之。

本文擬采用丙烯酸酯橡膠作為熱膨脹工藝的“均壓”材料［10-12］，利用其可任意賦形的典型特點，得到具有膨脹良好、尺寸可控的膨脹芯模，并利用上、下陰模進一步實現(xiàn)小型固定翼無人機復合材料圓管的工藝成型。

1 復合材料圓管結構

復合材料圓管用于連接固定翼無人機機翼和支撐尾部結構的一種復合材料主承力層壓構件，其長度為612 mm、內(nèi)徑42 mm、壁厚1.5 mm，如圖1所示。

圖1 復合材料圓管結構Fig.1 Structure of composite tube

2 復合材料圓管成型工藝研究

2.1 成型工藝方案的擬定

根據(jù)產(chǎn)品制造要求，在確保產(chǎn)品外形尺寸及質(zhì)量可控的前提下，復合材料圓管內(nèi)徑應滿足制造公差要求，能與各金屬連接件正常連接及固定，因此采用上、下模具及芯模的組合方式，通過碳纖維預浸料鋪層、真空固化爐的加熱及芯模的受熱膨脹施壓得到產(chǎn)品內(nèi)部結構致密、外觀質(zhì)量良好、內(nèi)徑尺寸可控的碳纖維復合材料圓管。如圖2所示，上、下陰模的內(nèi)形與產(chǎn)品外形一致，膨脹芯模的外型面與產(chǎn)品內(nèi)形一致，其中丙烯酸酯橡膠膠層厚度以其單片名義厚度進行計算、補償。

圖2 成型工藝示意圖Fig.2 A drawing of composite processing

為有效提高碳纖維預浸料在受熱狀態(tài)下的樹脂滑移、防止增強纖維產(chǎn)生纖維皺褶等現(xiàn)象，固化前需對產(chǎn)品的預浸料預鋪層進行必要的真空預壓實及熱壓實。同時，為有效阻止增強纖維層間滑移、樹脂受熱流出以及確保橡膠彈性體在密閉空間內(nèi)的可控膨脹，需要在上、下陰模組合后的模具兩端設置擋板，以形成密閉組合體。

2.2 選材和材料性能試驗

采用北京科拉斯有限公司提供的Airpad丙烯酸酯橡膠片作為膨脹芯模主要材料，其主要性能指標見表1。

表1 丙烯酸酯橡膠主要性能Tab.1 Main properties of acrylate rubber

產(chǎn)品成型主要材料采用江蘇恒神股份有限公司生產(chǎn)的單層名義厚度δ=0.2 mm、樹脂質(zhì)量分數(shù)為38%的斜紋碳纖維織物預浸料，性能實測值見表2。

表2 0.6 MPa壓力下碳纖維織物預浸料部分力學性能Tab.2 Some mechanical properties of twill carbon fabric prepreg after curing under 0.6 MPa

2.3 成型工藝流程

首先在金屬芯模上進行丙烯酸酯橡膠片的成型，得到與產(chǎn)品內(nèi)徑尺寸一致的含橡膠層金屬芯模；再在其上進行碳纖維預浸料的鋪層和成型，得到產(chǎn)品預鋪層；最后將產(chǎn)品預鋪層處于上、下陰模及擋板形成的密閉組合體中進行固化，待固化結束后脫模、外形加工及光整處理得到復合材料圓管產(chǎn)品。

2.4 膨脹芯模的制作

在金屬芯模上鋪貼2層丙烯酸酯橡膠片，經(jīng)真空袋壓法進行固化成型，其中固化溫度為176 ℃，加熱時間2 h，固化壓力為0.5 MPa。成型完畢后，對表面進行光整處理，并鋪貼1層帶膠脫模布。采用Airpad橡膠片制作的膨脹芯模可在176 ℃、1.4 MPa熱壓條件下使用100次以上，最高使用溫度可達202 ℃，沒有發(fā)生破壞環(huán)氧、酚醛或雙馬來酰亞胺樹脂體系現(xiàn)象。

2.5 復合材料圓管成型

按工藝要求在膨脹芯模上鋪貼碳纖維織物預浸料，其中要求第一層卷制張力盡可能的大，確保后續(xù)鋪貼的各層具有最佳的纖維伸展能力和等內(nèi)張力狀態(tài)，且要求鋪貼第1 層及后續(xù)每3～4 層真空預壓實1次，鋪層結束后進行真空熱壓實1次。

2.6 固化成型

待膨脹芯模冷卻至室溫后出爐，將其定位于下陰模，將上陰模蓋上，通過螺栓連接上下陰模。將擋板定位于上、下陰模兩端后，用螺栓固定連接，最終形成含產(chǎn)品預鋪層的密閉組合體。

將密閉組合體放入真空固化爐中進行固化，主要固化參數(shù)為（125±5）℃，保溫1.5～2 h，當制件平均溫度降至60 ℃以下時出爐，自然冷卻至室溫后脫模。通過外形銑切、光整處理后，得到復合材料圓管產(chǎn)品。

3 研制中解決的主要技術問題

3.1 圓管尺寸公差控制

在復合材料圓管成型過程中，由于外徑尺寸受上、下陰模控制，內(nèi)徑尺寸受膨脹芯模的熱膨脹壓力影響，壓力過高時壁厚相對較小，壓力過小時壁厚相對較大，因此需要采用合理措施對熱膨脹壓力進行計算和控制，確保批產(chǎn)穩(wěn)定性，尤其是相對穩(wěn)定的產(chǎn)品含膠量。

復合材料圓管尺寸公差實際也受鋪層影響，各鋪層的內(nèi)張力呈逐漸遞減趨勢，當?shù)?層鋪貼不緊實或內(nèi)張力達不到最大狀態(tài)時，后續(xù)鋪層則易出現(xiàn)卷制疏松、纖維皺褶等現(xiàn)象，尤其是真空熱壓實后表觀效果非常明顯，也進而導致鋪層實際厚度過大，與上、下陰模型面實際不匹配。

3.2 固化工藝參數(shù)的控制

丙烯酸酯橡膠有其特定的固化參數(shù)，在此固化參數(shù)下橡膠會得到最佳性能及表觀質(zhì)量。固化參數(shù)包括固化溫度、升溫速率等，這些因素對產(chǎn)品質(zhì)量至關重要，在固化過程中需嚴格控制；且由于產(chǎn)品預鋪層處于密閉組合體中，在升溫時應嚴格采用熱電偶控溫方式進行緩慢升溫，盡可能地縮小膨脹芯模與上、下陰模的溫差，一般情況下溫差不易超過30 ℃。

3.3 鋪層孔隙的避免及控制

鋪層孔隙受預浸料本身狀態(tài)及實際鋪層手段影響，其中預浸料極易受到水分子的侵蝕，通過氫鍵作用附著于樹脂基體分子鏈段中，整個成型過程中水分子會形成許多不同大小的孔隙，且孔隙存在不同程度的正壓力［13］，進而對整個成型質(zhì)量及產(chǎn)品性能產(chǎn)生極大的影響，因此嚴格控制預浸料的封裝解凍、鋪層環(huán)境的溫度、相對濕度等參數(shù)極為重要。另外，預浸料成型過程中合理的鋪層手段及真空壓實也是有效避免或減少孔隙存在的有效途徑之一。

4 結論

（1）與傳統(tǒng)硅橡膠澆鑄方式相比，丙烯酸酯橡膠具有任意賦形性和良好鋪貼性，制備的熱膨脹芯模具有可設計性強、工藝成型相對簡便及使用壽命長等特點。

（2）在預浸料成型過程中，使用丙烯酸酯橡膠膨脹芯模能保證熱膨脹性能受控，克服了制件成型過程中可能出現(xiàn)的架橋、孔隙率大、表面皺褶及缺膠等現(xiàn)象。

（3）對大長徑比薄壁類碳纖維復合材料層壓圓管的零件，在采用預浸料成型及真空袋壓法的工藝過程中，使用丙烯酸酯橡膠膨脹芯模及組合工裝的方法，得到了表面無任何壓痕、皺褶、內(nèi)形質(zhì)量良好的零件，該方法是一種良好的預浸料成型熱膨脹工藝方法。