復(fù)合材料熱壓罐成型工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

李艷霞, 顧軼卓, 李 敏

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京市材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100191)

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復(fù)合材料熱壓罐成型工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

李艷霞, 顧軼卓, 李 敏

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京市材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100191)

通過(guò)復(fù)合材料熱壓罐成型工藝實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生實(shí)踐原材料—工藝—性能關(guān)系的復(fù)合材料制備全過(guò)程，掌握濕法制備預(yù)浸料與熱壓罐成型工藝的基本實(shí)驗(yàn)技能，同時(shí)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，激發(fā)其綜合運(yùn)用課堂理論知識(shí)。實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容對(duì)于學(xué)生理解復(fù)合材料熱壓罐成型工藝的原理和復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)、性能的可設(shè)計(jì)性、構(gòu)件與材料同步性等具有重要意義。

樹(shù)脂基復(fù)合材料； 熱壓罐工藝； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)、鞏固和拓展知識(shí)與技能、提高分析和解決問(wèn)題能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)具有重要的作用[1]。近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸由以往課堂理論教學(xué)的“輔助”地位向高素質(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過(guò)程中“貫穿始終、不可或缺的重要組成部分”轉(zhuǎn)變[2]，并且實(shí)驗(yàn)類(lèi)型由傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向自主型、研究型實(shí)驗(yàn)課程轉(zhuǎn)變，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主導(dǎo)作用[3-6]。

復(fù)合材料由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)復(fù)合而成的一種新的固體材料，先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料是以有機(jī)高分子材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料、通過(guò)復(fù)合工藝制備而成，并具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類(lèi)新型材料。復(fù)合效應(yīng)、性能的可設(shè)計(jì)性、多功能兼容性和材料與構(gòu)件制造的同步性是先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料不同于傳統(tǒng)材料的顯著特點(diǎn)[7-8]，而設(shè)計(jì)、材料、工藝、性能四者之間密切相關(guān)性，使得復(fù)合材料具有明顯的多學(xué)科交叉特點(diǎn)[9]。為滿(mǎn)足我國(guó)各行業(yè)對(duì)復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)學(xué)生素質(zhì)的要求，培養(yǎng)基礎(chǔ)知識(shí)深厚、工程實(shí)踐能力扎實(shí)的創(chuàng)新型復(fù)合材料工程人員，武漢理工大學(xué)材料學(xué)院針對(duì)復(fù)合材料本科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)，課程涵蓋復(fù)合材料的組分(基體材料與增強(qiáng)材料)、成型工藝、成型條件與性能之間相互關(guān)系，體現(xiàn)“組分”、“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”、“材料工藝”和“性能”四項(xiàng)材料科學(xué)研究的核心[10]。天津工業(yè)大學(xué)在本科專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，開(kāi)設(shè)復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，以復(fù)合材料原材料、加工制備、性能檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)基本技能和應(yīng)用技術(shù)培養(yǎng)為核心，引導(dǎo)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅要有利于學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，同時(shí)提高學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、增?qiáng)探究意識(shí)和促進(jìn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)[11]。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心以材料科學(xué)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(guān)系為綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的基本設(shè)計(jì)理念[12-13]，創(chuàng)建材料大類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)和專(zhuān)業(yè)特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)相呼應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程體系,先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造特色實(shí)驗(yàn)是五大專(zhuān)業(yè)特色課程之一。

熱壓罐成型一直是航空航天領(lǐng)域生產(chǎn)高性能復(fù)合材料構(gòu)件最重要的制備方法，占整個(gè)復(fù)合材料產(chǎn)量的80%以上。復(fù)合材料熱壓罐成型工藝實(shí)驗(yàn)課使學(xué)生參與從原材料、工藝制備到性能測(cè)試的全過(guò)程，具體包括樹(shù)脂膠液配置、預(yù)浸料制備與基本特性測(cè)試、預(yù)浸料裁剪鋪貼封裝、復(fù)合材料成型，使學(xué)生了解預(yù)浸料含膠量控制方法、預(yù)浸料晾置儲(chǔ)存的方法和基本要求，了解排布機(jī)、熱壓罐等設(shè)備的組成、用途和使用方法以及一般注意事項(xiàng)，掌握預(yù)浸料裁剪、鋪貼操作技能，熟悉先進(jìn)復(fù)合材料熱壓罐工藝的各環(huán)節(jié)和操作方法，通過(guò)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)與自主設(shè)計(jì)各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的可調(diào)控因素，綜合分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，理解復(fù)合材料成型工藝原理和工藝控制理論。同時(shí)，北京市聚合物基復(fù)合材料高技術(shù)實(shí)驗(yàn)室熱壓罐設(shè)備有效集成了科研成果，可以對(duì)罐內(nèi)氣氛溫度、壓力、真空度，復(fù)合材料層板內(nèi)部溫度、樹(shù)脂壓力等信息進(jìn)行工藝過(guò)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，為實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)展提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。復(fù)合材料熱壓罐成型工藝特色實(shí)驗(yàn)，即有傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，同時(shí)注重自主設(shè)計(jì)方案以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，可以使學(xué)生體驗(yàn)一般科研課題的全過(guò)程，既提升了學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的理解，也增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

復(fù)合材料成型過(guò)程是材料-工藝-性能鏈條的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)纖維性能向復(fù)合材料性能高效轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，而其成型過(guò)程復(fù)雜的物理化學(xué)變化，涉及到高分子物理、高分子化學(xué)、滲流力學(xué)、材料力學(xué)等多個(gè)科學(xué)知識(shí)。熱壓工藝制備復(fù)合材料包括樹(shù)脂膠液配制、預(yù)浸料制備、預(yù)浸料鋪層設(shè)計(jì)、剪裁、鋪疊與封裝、熱壓罐成型等多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，反應(yīng)了復(fù)合材料成型特點(diǎn)，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生多學(xué)科知識(shí)綜合運(yùn)用能力以及深入認(rèn)識(shí)與理解復(fù)合材料成型工藝具有重要意義[14]。圖1為先進(jìn)復(fù)合材料熱壓罐成型工藝特色實(shí)驗(yàn)方案與技術(shù)路線(xiàn)圖。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)用設(shè)備包括烘箱、冰箱、天平、電吹風(fēng)、TPJ-2型排布機(jī)、熱壓罐，溫度與壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備等，熱壓罐設(shè)備有效集成實(shí)驗(yàn)室已有多項(xiàng)研究成果，可以對(duì)罐內(nèi)氣氛溫度、壓力、真空度，復(fù)合材料層板內(nèi)部溫度、壓力等進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)[15-16]。實(shí)驗(yàn)所用材料包括：纖維、樹(shù)脂及輔助成形材料等。圖2為T(mén)PJ-2型排布機(jī)，圖3為熱壓罐設(shè)備及其在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案及技術(shù)流程圖

圖2 TPJ-2型排布機(jī)

圖3 熱壓罐及其在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

(1) 學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，必須首先查閱資料，熟悉有關(guān)濕法預(yù)浸料制備、熱壓罐成型工藝的基本知識(shí)，熟悉復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)理論、工藝參數(shù)擬定方法；

(2) 熟悉輔助材料的種類(lèi)、作用原理，真空袋封裝順序及注意事項(xiàng)；

(3) 學(xué)生自己組合3或4人為一組，按要求進(jìn)行樹(shù)脂膠液配制、預(yù)浸料制備、預(yù)浸料特性測(cè)試，預(yù)浸料裁剪、鋪貼、封裝 及熱壓罐成型。

(4) 實(shí)驗(yàn)課堂采用提問(wèn)和講解相結(jié)合方式，促使學(xué)生思考并掌握樹(shù)脂膠液配制、預(yù)浸料制備及性能測(cè)試的方法和注意事項(xiàng)，掌握輔助材料的作用及其鋪放順序。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生自主設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(鋪層方式、鋪層數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、工藝參數(shù)等)，使學(xué)生了解復(fù)合材料制備過(guò)程及其注意事項(xiàng)(如預(yù)浸料鋪疊技巧、空氣夾雜、真空嘴位置對(duì)氣路的影響等)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)復(fù)合材料的感性認(rèn)識(shí)，理解復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)、性能的可設(shè)計(jì)性以及材料與構(gòu)件制造的同步性等。

4 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 樹(shù)脂膠液配制。樹(shù)脂牌號(hào)：環(huán)氧樹(shù)脂，其AB組分其質(zhì)量比為500：461，按配比用2 L燒杯配制環(huán)氧樹(shù)脂200 g，并混合均勻；先向樹(shù)脂中加入100 mL丙酮，將樹(shù)脂稀釋到容易流動(dòng)的狀態(tài)；稀釋后的樹(shù)脂倒入量筒中，密度計(jì)測(cè)量密度，調(diào)控丙酮加入量，配制膠液密度達(dá)到0.966 g/cm3。

(2) 預(yù)浸料制備。采用實(shí)驗(yàn)室TPJ-2型排布機(jī)制備濕法預(yù)浸料。樹(shù)脂含量是評(píng)價(jià)預(yù)浸料的主要性能指標(biāo)，其主要影響因素包括膠液密度、輥筒轉(zhuǎn)速和纖維張緊力。膠液密度大，纖維張緊力小，輥筒轉(zhuǎn)速慢，導(dǎo)致預(yù)浸料的樹(shù)脂含量提高，反之則降低。同時(shí)，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(kāi)較寬，需要設(shè)定大的紗間距；反之則需要小的紗間距。排布過(guò)程中，膠液密度0.966 g/cm3，輥筒轉(zhuǎn)速一般定在10 r/min，通過(guò)調(diào)節(jié)張緊力和紗間距，使排布過(guò)程中不出現(xiàn)纖維搭接和縫隙，如緊力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致預(yù)浸布取下后纖維回縮，發(fā)生聚集打彎。所以一般先將纖維張緊力調(diào)節(jié)到合適水平，然后調(diào)節(jié)紗間距，來(lái)減少纖維搭接和縫隙的出現(xiàn)。

(3) 預(yù)浸料鋪層設(shè)計(jì)、裁剪、鋪疊、封裝。性能的可設(shè)計(jì)性是復(fù)合材料特點(diǎn)之一，具體表現(xiàn)為依據(jù)復(fù)合材料使用要求，選擇纖維、樹(shù)脂種類(lèi)，設(shè)計(jì)纖維含量、鋪層方式，以及成型方式等。預(yù)浸料鋪貼時(shí)注意事項(xiàng)：①為了便于鋪層，可用電吹風(fēng)或電熨斗加熱預(yù)浸料，將變軟的預(yù)浸料按照預(yù)設(shè)的鋪層順序在模具上鋪貼；②預(yù)浸料的鋪貼時(shí)，應(yīng)使其與模具面貼合。鋪層之間不允許夾裹氣泡、雜質(zhì)，鋪層也不允許褶皺、纖維屈曲；③對(duì)于拐角位置，在鋪貼預(yù)浸料時(shí)，應(yīng)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(jìn)行預(yù)壓實(shí)，以幫助零件成形。

(4) 溫度與樹(shù)脂壓力在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。講解熱壓罐設(shè)備組成及工作原理，包括加熱、冷卻、加壓、真空系統(tǒng)等。使學(xué)生了解熱壓罐內(nèi)溫度、壓力傳遞的特點(diǎn)以及熱壓罐內(nèi)溫度和壓力在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法和工作原理。

(5) 熱壓罐工藝制備復(fù)合材料。典型的熱壓罐成型復(fù)合材料的工裝示意圖如圖4所示，封裝成型過(guò)程注意事項(xiàng)：首先，細(xì)顆粒砂紙打磨熱壓罐載物車(chē)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(yù)浸料疊層放置在模板上，四周用擋膠條擋住，防止流膠，同時(shí)在層板周邊用帶孔四氟布條作為層板固化過(guò)程中導(dǎo)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(kāi)熱壓罐操作系統(tǒng)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(rèn)為真空袋密封良好，將載物車(chē)推入熱壓罐內(nèi)，并在模板上貼一根熱電偶以測(cè)量模具和罐內(nèi)熱空氣的溫度差，以便在成形過(guò)程中根據(jù)模具的溫度隨時(shí)調(diào)節(jié)溫度和壓力制度，確定加壓時(shí)機(jī)。關(guān)閉罐門(mén)，設(shè)置工藝參數(shù)進(jìn)行固化，固化過(guò)程中要始終注意罐內(nèi)壓力和溫度變化，確保熱壓罐運(yùn)行安全。按照固化制度固化完成后，開(kāi)罐取出層板。通過(guò)敲擊、目測(cè)以及厚度測(cè)量，分析層板的成形固化質(zhì)量。

圖4 典型的熱壓罐成型復(fù)合材料工裝示意圖

(6) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與報(bào)告撰寫(xiě)。根據(jù)復(fù)合材料特點(diǎn)，學(xué)生可以從鋪層方案、結(jié)構(gòu)形式、工藝參數(shù)等幾個(gè)方面自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)踐復(fù)合材料熱壓罐成型工藝的過(guò)程中，體驗(yàn)科研課題的一般過(guò)程，分析材料—工藝—性能關(guān)系，理解復(fù)合材料成形過(guò)程發(fā)生的物理化學(xué)變化以及科研課題的一般性研究方法。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)包括鋪層方案(鋪層方式、角度、層數(shù))、結(jié)構(gòu)形式(等厚層板、變厚度層板、帶曲率層板)、工藝參數(shù)(平臺(tái)溫度、工藝壓力、加壓時(shí)間)。

測(cè)試表征參量包括初始狀態(tài)(單層預(yù)浸料厚度、預(yù)浸料疊層厚度、預(yù)浸料纖維體積含量、揮發(fā)分含量)；復(fù)合材料層板(吸膠量、層板尺寸、纖維體積分?jǐn)?shù)、孔隙率含量以及基本力學(xué)性能)；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)參量(溫度和液體壓力)。

根據(jù)復(fù)合材料成型工藝條件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析鋪層方式、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式對(duì)成型質(zhì)量的影響，包括層板尺寸、纖維含量、孔隙率，結(jié)合在線(xiàn)測(cè)試獲得的溫度、樹(shù)脂壓力分布，利用所學(xué)理論知識(shí)(包括固化與流動(dòng)特性、纖維鋪層滲透率、壓縮特性等)分析影響制件成型質(zhì)量的因素。

5 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)合材料熱壓罐成型工藝實(shí)驗(yàn)中實(shí)際動(dòng)手操作使學(xué)生親身體驗(yàn)復(fù)合材料制備過(guò)程，實(shí)驗(yàn)方案的自主權(quán)激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，實(shí)踐課堂理論知識(shí)并了解一般科研的全過(guò)程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范的操作能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袑?shí)驗(yàn)態(tài)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(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目

李艷霞(1977-)，女，山東寧津人，博士，講師，北京航空航天大學(xué)，主要從事先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料工藝研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

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

TB 332；G 642

A

1006-7167(2015)05-0186-03