碳纖維復(fù)合材料C形結(jié)構(gòu)熱隔膜成型工藝

姚 雙 李 敏 顧軼卓

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)

馬曉星

(上海飛機(jī)制造有限公司 航空制造技術(shù)研究所，上海200436)

傳統(tǒng)的預(yù)浸料/熱壓罐工藝主要采用手工鋪疊的方式得到與制件結(jié)構(gòu)相近的預(yù)成型體，然后采用熱壓罐固化.隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用及其構(gòu)件日趨大型化、復(fù)雜化，手工鋪疊工藝的生產(chǎn)效率低、成型質(zhì)量不穩(wěn)定等問題愈加突出，使得復(fù)合材料制件的自動鋪疊技術(shù)迅速發(fā)展［1］.為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，保證預(yù)成型質(zhì)量，熱隔膜成型工藝應(yīng)運(yùn)而生.該工藝將手工鋪疊或自動鋪帶工藝鋪疊的預(yù)浸料平板置于兩層延展性較高的隔膜間，并整體轉(zhuǎn)移到熱隔膜機(jī)上，利用真空負(fù)壓和紅外加熱作用將平板壓制成復(fù)雜形狀的預(yù)成型體，其生產(chǎn)速度快、成型質(zhì)量高、穩(wěn)定性好.該工藝最早應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料，目前主要用于熱固性復(fù)合材料的制備，例如，熱隔模成型工藝已成功應(yīng)用于波音777長桁、V22長桁和A400M機(jī)翼前梁等大型構(gòu)件的生產(chǎn)［2-4］，已經(jīng)成為一種重要的低成本制造技術(shù).

國外學(xué)者對熱隔膜成型工藝進(jìn)行了大量研究.Krebs［5］和 Mallon［6］等人針對碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(PEEK，Polyetheretherketone)復(fù)合材料，研究了熱隔膜成型過程中模具、成型過程壓力和溫度、制件大小、層板厚度及鋪層方式等因素對成型質(zhì)量的影響.Pantelakis等人［7］研究了熱隔膜成型工藝的優(yōu)化方法.Gutowski［8］和 Bersee［9］等人研究了隔膜材料對成型熱塑性復(fù)合材料的影響.Labeas等人［10］利用有限元方法模擬了熱隔膜成型過程中紅外輻射預(yù)熱階段熱塑性層板溫度的變化情況.以上研究都是針對熱塑性復(fù)合材料，對熱固性復(fù)合材料熱隔膜工藝的研究報道很少.而在國內(nèi)此項技術(shù)尚處于開發(fā)實驗階段，缺乏相關(guān)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)研究.

本文采用自行設(shè)計搭建的熱隔膜成型工藝實驗裝置制備了C形碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料預(yù)成型體，測試分析了成型過程中溫度分布及變化規(guī)律，考察了成型溫度和預(yù)成型體尺寸對預(yù)成型體成型質(zhì)量的影響.研究結(jié)果為熱隔膜成型工藝在我國的工程化應(yīng)用提供了理論和實驗依據(jù).

1 實驗

1.1 原材料

熱隔膜，型號SL850(斷裂伸長率為450%，拉伸強(qiáng)度為82 N/mm2，最高使用溫度204℃)，美國Airtech公司;碳纖維/環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料，美國Cytec公司;工藝輔助材料，美國Airtech公司;紅外加熱燈，佛山電氣照明股份有限公司;硅橡膠加熱片，北京昊建強(qiáng)盛電熱材料有限公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 熱隔膜成型工藝實驗裝置

目前，熱隔膜成型機(jī)全部由國外廠商生產(chǎn)，并且只有大型的生產(chǎn)用熱隔膜機(jī).為了開展實驗研究，本文自行設(shè)計并搭建了熱隔膜成型工藝實驗裝置，由加熱裝置、抽真空裝置及成型模具3部分組成，如圖1所示.其中1，7，8為加熱裝置;4，5為抽真空裝置;6為成型模具.

加熱裝置中選用紅外加熱燈作為加熱源，用于加熱預(yù)浸料疊層，硅橡膠加熱片置于成型模具內(nèi)部，用于模具的預(yù)熱.燈架調(diào)節(jié)紅外燈的數(shù)量、紅外燈的間距以及紅外燈與預(yù)浸料疊層的距離，以調(diào)整紅外輻射的強(qiáng)度和加熱均勻性.

圖1 熱隔膜成型裝置示意圖

抽真空裝置保證成型時隔膜與真空箱內(nèi)部形成密閉負(fù)壓的空間，其中真空箱為“?_「”形結(jié)構(gòu)，并設(shè)置了抽真空的通道.為了固定隔膜同時提高氣密性，在熱隔膜與真空箱的接觸部位放置了固定框，并用夾緊器加緊.

C形結(jié)構(gòu)成型模具見圖2，尺寸為320 mm×100 mm×50 mm，拐角半徑為6 mm.模具空腔內(nèi)安置了硅橡膠加熱片，由控溫箱進(jìn)行溫度控制.

圖2 C形結(jié)構(gòu)成型模具照片

1.2.2 溫度場測試方法

熱隔膜成型過程中預(yù)浸料鋪層上下表面及模具的溫度變化采用熱電偶測試，熱電偶放置位置如圖3所示.本文采用6個紅外燈同時輻射加熱，相鄰燈心距離為225 mm，燈距預(yù)浸料上表面的距離為700 mm，并采用BH315-T01溫度場采集系統(tǒng)對溫度進(jìn)行實時監(jiān)測.

圖3 熱電偶位置示意圖

1.2.3 C形預(yù)成型體的制備與成型質(zhì)量分析

室溫條件(30℃)下，將尺寸為 200 mm×140 mm的預(yù)浸料按［45/-45］4鋪層方式鋪疊成平板.將平板置于兩層隔膜之間，保證平板固定在隔膜中心位置，邊緣密封并抽真空(見圖4a).

真空箱內(nèi)鋪放一層透氣氈導(dǎo)氣，將C形模具置于真空箱中間，隔膜放置在成型模具上面并加固定框，將真空箱和固定框用夾緊器夾緊，保證隔膜和真空箱形成封閉空間(見圖4b).

進(jìn)而對成型模具預(yù)加熱，然后調(diào)整紅外加熱裝置加熱，待平板預(yù)浸料達(dá)到成型所需溫度，開啟真空泵，受熱的平板預(yù)成型體在真空負(fù)壓作用下形成C形預(yù)成型體(見圖4c、圖4d).

最后關(guān)閉加熱裝置，冷卻至室溫，脫模得到C形預(yù)成型體.工藝過程如圖4所示.

圖4 熱隔膜成型過程示意圖

依據(jù)成型前后預(yù)成型體的厚度變化、成型后預(yù)成型體的表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷來評價預(yù)成型體成型質(zhì)量.C形預(yù)成型體厚度的測試位置如圖5所示，包括突緣、腹板和拐角的位置.內(nèi)部缺陷分析采用對預(yù)成型體進(jìn)行低溫緩慢固化并進(jìn)行金相觀察的方法，該方法既可以保持預(yù)成型體內(nèi)部缺陷的狀態(tài)，又避免直接切割及拋磨對預(yù)成型體內(nèi)部缺陷的影響.所采用的低溫緩慢固化制度為120℃12 h.

圖5 厚度測試位置

為考察預(yù)成型體尺寸對成型質(zhì)量的影響，本文設(shè)計了3種尺寸的C形預(yù)成型體，如表1所示.

表1 C形預(yù)成型體尺寸 mm

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝過程溫度變化分析

溫度是熱隔膜成型工藝中一個重要的控制參量，本文以成型溫度45℃，模具預(yù)熱溫度35℃為例，考察了成型過程中溫度的變化情況，結(jié)果如圖6所示.

圖6 熱隔膜工藝過程溫度變化

圖6a可見，起始時，預(yù)成型體1和3位置升溫較快，而2和4位置升溫較慢;大約240 s后，所有位置溫度均迅速升高，其中1位置的升溫速率相對較慢;在360 s后所有溫度同時降低.

起始階段為模具預(yù)熱過程，1和3位置預(yù)浸料與模具貼合，隨著模具預(yù)熱而升溫明顯，2和4位置因預(yù)浸料不與模具接觸，升溫較慢.在240 s時模具溫度達(dá)到設(shè)定溫度35℃，因此開啟紅外燈進(jìn)行加熱，使得預(yù)浸料溫度迅速升高，并超過模具溫度.由于1位置預(yù)浸料與模具中心位置貼合，熱量更容易通過模具散失，其升溫速率較其他位置慢.當(dāng)360 s時，預(yù)浸料上表面溫度達(dá)到45℃左右，故開始抽真空成型C形結(jié)構(gòu)，真空度迅速達(dá)到0.1 MPa，預(yù)浸料疊層在比較短的時間內(nèi)變形為C形結(jié)構(gòu)，此時關(guān)閉紅外加熱燈，預(yù)浸料溫度降低.

從圖6b中可以看出，預(yù)浸料達(dá)到成型溫度45℃時，預(yù)浸料上下表面及預(yù)浸料與模具之間分別存在約4℃和8℃溫差.這是因為紅外燈加熱過程中，預(yù)浸料升溫速率較快，在比較短的時間內(nèi)達(dá)到成型溫度，同時預(yù)浸料將一部分熱量傳遞給溫度較低的模具，使得緊靠模具的預(yù)浸料下表面溫度偏低.

實驗表明，只采用紅外燈加熱時，接觸模具的預(yù)浸料部分有大量熱量通過模具散失，導(dǎo)致預(yù)浸料溫度分布十分不均勻，需對模具進(jìn)行預(yù)熱，以減小這種預(yù)浸料不同部位受熱差異帶來的溫度不均.實驗進(jìn)一步確定了成型溫度為60℃和80℃下所對應(yīng)的模具預(yù)熱溫度分別為48℃和60℃，其工藝過程中預(yù)浸料上下表面、預(yù)浸料和模具的溫差較小，如表2所示.雖然更高的成型溫度下，溫差更大，但均小于15℃，滿足熱隔膜工藝對溫差的要求［3］.

表2 不同成型溫度下不同位置的溫度差 ℃

2.2 成型溫度對成型質(zhì)量的影響

成型溫度決定著預(yù)浸料的粘流狀態(tài)和變形能力，進(jìn)而影響預(yù)成型體在真空負(fù)壓作用下的變形過程.本文在45℃，60℃，80℃ 3個成型溫度下采用熱隔膜成型工藝制備了C形預(yù)成型體，考察了成型溫度對熱隔膜成型質(zhì)量的影響.

表3是C形預(yù)成型體不同位置厚度測量結(jié)果.結(jié)果表明，成型溫度的變化對預(yù)成型體厚度的影響較小，同時拐角厚度均小于腹板及突緣厚度.成型過程中主要依靠熱隔膜的形變來帶動預(yù)浸料疊層變形，而成型時隔膜的形變不均勻，曲率大的位置隔膜形變量增加，在成型C形結(jié)構(gòu)時，拐角處曲率變化大，其形變高于其他位置，所受熱隔膜作用力相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致拐角處的厚度偏小.

表3 熱隔膜成型前后不同位置的厚度

3種溫度條件下制備的預(yù)成型體，其腹板和突緣部位的成型質(zhì)量良好，在邊緣位置可以看到因預(yù)浸料鋪層間發(fā)生滑移而形成了厚度漸變的區(qū)域，如圖7所示.原因是成型的C形結(jié)構(gòu)是由平板變形得到的，在拐角處上下表面的曲率不同，預(yù)浸料各層在成型過程中滑移量不同，因此在邊緣處出現(xiàn)預(yù)浸料層梯度分布的現(xiàn)象.

圖7 熱隔膜成型的預(yù)成型體照片

從圖8可以看出，在45℃成型時，預(yù)成型體拐角處內(nèi)表面出現(xiàn)明顯的纖維褶皺，60℃和80℃成型時，預(yù)成型體內(nèi)表面光滑，沒有褶皺.

圖8 不同成型溫度下預(yù)成型體拐角照片

依據(jù)該預(yù)浸料體系的樹脂流變曲線(見圖9)，成型溫度為45℃時，樹脂黏度較高，粘彈性明顯，預(yù)浸料粘性大，使得預(yù)浸料鋪層間的滑移能力較弱，滑移速率趕不上預(yù)浸料疊層變形的速率，導(dǎo)致拐角處出現(xiàn)纖維的褶皺.在60℃和80℃時，樹脂達(dá)到了低黏度平衡區(qū)，預(yù)浸料粘性減弱，預(yù)浸料鋪層間的滑移能力增強(qiáng)，滑移速率能夠與預(yù)浸料疊層變形的速率匹配，故拐角處沒有產(chǎn)生褶皺.可見，應(yīng)根據(jù)預(yù)浸料的粘性和滑移能力合理設(shè)置成型溫度，保證預(yù)浸料各層變形的一致性.

圖9 預(yù)浸料中樹脂的黏度-溫度曲線

不同溫度下成型的預(yù)成型體的金相照片如圖10所示.從圖中可以看出，緩慢固化后，不同溫度下成型的預(yù)成型體的金相照片可以較好地與預(yù)成型體表面褶皺缺陷相對應(yīng)，預(yù)成型體的褶皺缺陷經(jīng)低溫緩慢固化后以預(yù)浸料鋪層突起的形式存在.此外，預(yù)成型體的孔隙率隨著溫度的升高從5.1%降低到3.8%.這是因為，隨著溫度的升高，樹脂黏度降低，預(yù)浸料鋪層的變形能力提高，更有利于成型過程中夾雜空氣的排出.

圖10 不同成型溫度下預(yù)成型體金相照片

2.3 預(yù)成型體尺寸對成型質(zhì)量的影響

除了預(yù)浸料本身的性質(zhì)，預(yù)成型體的尺寸可能也會影響疊層的變形過程.為此，本文針對同一模具，制備了不同尺寸的C形結(jié)構(gòu)預(yù)成型體，如表1和圖11所示.

圖11d和圖11e可以說明，在預(yù)成型體高度為40 mm，長度為300 mm與200 mm時，預(yù)成型體的邊緣均會發(fā)生翹曲現(xiàn)象，在四角尤為明顯，當(dāng)預(yù)成型體長度減少時，翹曲現(xiàn)象略微改善.同時減小預(yù)成型體的長度和高度，預(yù)成型體的成型質(zhì)量良好，如圖11f所示.分析其原因認(rèn)為，在C形預(yù)成型體成型過程中，熱隔膜的形變不均勻，在模具的底部出現(xiàn)了架橋現(xiàn)象，如圖11a所示.導(dǎo)致預(yù)成型體受壓不均勻，影響其邊緣與模具的貼合，并且越接近隔膜架橋區(qū)域，翹曲現(xiàn)象越嚴(yán)重.另一方面，在模具的拐角處，隔膜的拉伸形變較大，預(yù)浸料四角處±45鋪層的纖維長度較短，易造成纖維的滑出.因此，C形預(yù)成型體的長度和高度越接近模具的尺寸，成型質(zhì)量越難保證.綜上所述，預(yù)成型體和模具之間的尺寸比例控制在合理的范圍是保證其成型質(zhì)量的前提.

圖11 不同尺寸預(yù)成型體圖片

3 結(jié)論

1)熱隔膜成型過程中，紅外燈輻射加熱和模具散熱同時作用，導(dǎo)致預(yù)浸料溫度分布不均勻現(xiàn)象明顯，為減小溫度差異可采用模具預(yù)熱的方法，從而調(diào)節(jié)靠近模具與遠(yuǎn)離模具的預(yù)浸料部位之間的溫差.

2)曲率變化大的部位隔膜的形變和對預(yù)浸料的作用力較大，使得預(yù)成型體拐角厚度小于突緣和腹板厚度.成型溫度對預(yù)浸料的粘性和滑移能力有重要影響，成型溫度過低時，預(yù)浸料層間滑移能力差，預(yù)浸料各層變形不一致，導(dǎo)致拐角處容易出現(xiàn)纖維褶皺;成型溫度較高時，有利于預(yù)成型體內(nèi)夾雜空氣的排除.

3)在熱隔膜成型過程中，隔膜在不同位置變形量不同，若C形結(jié)構(gòu)的外形尺寸與模具尺寸接近，則預(yù)成型體容易因隔膜架橋、變形量過大而出現(xiàn)翹曲等缺陷.因此預(yù)成型體與模具之間合適的尺寸比例是保證預(yù)成型體成型質(zhì)量的重要條件.

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