熱隔膜成型技術(shù)工藝進(jìn)展研究

黃彬瑤 張君紅

熱壓罐成型工藝是碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料最主要的制造方法，傳統(tǒng)的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，這不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間且成型質(zhì)量不穩(wěn)定。在制造大型制件時(shí)問(wèn)題愈加突出。為了提高制件質(zhì)量，且進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，復(fù)合材料制件的自動(dòng)化生產(chǎn)方式得以迅速發(fā)展。其中自動(dòng)鋪帶技術(shù)對(duì)平面和曲率半徑較大的制件的預(yù)浸料層的鋪放具有較高的效率，但對(duì)于有角度突變的復(fù)雜的復(fù)合材料制件（如C型梁和L型桁）采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)直接鋪疊預(yù)浸料難度較大。對(duì)于這種筋條與梁類(lèi)結(jié)構(gòu)，一般采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)把預(yù)浸料制成平板，再通過(guò)熱隔膜工藝使預(yù)浸料平板成形，最后將成形好的預(yù)浸料放入熱壓罐中固化成型。

隨著熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的大量使用，熱隔膜成型工藝也從最早期在熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料制造中的應(yīng)用逐步發(fā)展到在熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的制造中的大范圍應(yīng)用。

一、熱隔膜成型工藝過(guò)程

熱隔膜工藝的原理為將預(yù)浸料層板放置于熱隔膜模具上，通過(guò)一種特制膜的輔助作用經(jīng)過(guò)抽真空和加熱等方法，將層板壓向模具，形成所需形狀。根據(jù)熱隔膜工藝使用的隔膜數(shù)量，可分為單隔膜成型工藝和雙隔膜成型工藝[1]。其中單隔膜成型工藝較為簡(jiǎn)單，在成本和效率方面有優(yōu)勢(shì)，而雙隔膜成型則能更有效地保證形狀較為復(fù)雜厚度較厚的制件的成型質(zhì)量。

單隔膜工藝依靠單隔膜設(shè)備或去除部分功能的雙隔膜設(shè)備實(shí)現(xiàn)。單隔膜設(shè)備一般有2個(gè)工位，其中主加熱燈庫(kù)工位用于預(yù)成型，真空床工位用于工裝轉(zhuǎn)移（圖1）。制件預(yù)成型的工藝流程如下：①先將工裝在真空床上定位后，再將料層轉(zhuǎn)移至工裝上表面并定位〔圖1（a）〕；②真空床緩緩移入主加熱燈庫(kù)下，并使隔膜緩緩下降至最低點(diǎn)貼合預(yù)浸料上表面〔圖1（b）〕；③在加熱狀態(tài)下，開(kāi)啟真空床的真空系統(tǒng)，隔膜緩緩對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行賦形成型〔圖1（c）〕。

雙隔膜成型設(shè)備一般采用四工位設(shè)計(jì)，分別是預(yù)浸料預(yù)熱床工位、工裝預(yù)熱庫(kù)工位及用于預(yù)成型的主加熱燈庫(kù)工位和用于工裝轉(zhuǎn)移的真空床工位（圖2）。制件預(yù)成型的工藝流程如下：①工裝轉(zhuǎn)移至真空床并定位，通過(guò)工裝預(yù)熱庫(kù)預(yù)熱工裝；另一方面，將下隔膜鋪覆于預(yù)浸料預(yù)熱床并將預(yù)浸料層板轉(zhuǎn)移并定位到下隔膜上方，預(yù)熱床移至主加熱庫(kù)下并將上下隔膜密封，再通過(guò)主加熱燈庫(kù)的加熱燈及預(yù)熱床底部電阻板預(yù)熱預(yù)浸料層板〔圖2（a）〕；②預(yù)熱結(jié)束后，將真空床帶工裝移入主加熱庫(kù)，并將帶料層的雙隔膜緩緩下降至最低點(diǎn)使料層及隔膜貼合工裝上表面〔2（b）〕；③控制隔膜間真空與真空床真空，隔膜緩緩對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行賦形成型〔圖2（c）〕。

二、熱隔膜成型工藝影響因素研究進(jìn)展

熱隔膜成型過(guò)程由于材料種類(lèi)、鋪層方式、工件形狀、模具結(jié)構(gòu)等內(nèi)因及工藝因素（溫度、壓力、速率等）的影響，會(huì)給制件帶來(lái)缺陷。Gutowski T.G.[2]指出成型過(guò)程中的主要失效模式是厚度不均、纖維面內(nèi)屈曲及面外褶皺。因而不少研究學(xué)者以部分缺陷的減少或消除來(lái)評(píng)價(jià)工藝條件或某種因素的改變是否提高了熱隔膜成型制件的質(zhì)量。

熱塑性復(fù)合材料的成型壓力一般為0.1～1.7MPa，熱固性復(fù)合材料在熱隔膜成型時(shí)成型壓力為0.1MPa，并可以通過(guò)控制抽真空速率來(lái)控制成型。Elgmel H.E.等人[3]研究了壓力對(duì)于熱隔膜成型過(guò)程中隔膜形變的影響，并通過(guò)一系列分析得到壓力對(duì)成型質(zhì)量的影響。Pantelakis S.G.等人[4]定性分析了熱塑性材料APC-2/AS4在5～20bar內(nèi)，提高壓力值，可以提高的固化質(zhì)量，但易產(chǎn)生尺寸偏差及纖維淤積的現(xiàn)象；且在1bar/min～5bar/s的真空增加速率范圍內(nèi)，提高速率，可保證制件的尺寸穩(wěn)定性，但易造成面外屈曲和皺褶。邊旭霞等人[5]對(duì)熱固性復(fù)合材料熱隔膜成型的研究表明C型制件的厚度均勻性隨著成型速率的降低而減小，且預(yù)浸料層間摩擦力越小，制件成形質(zhì)量較好。

對(duì)于成型過(guò)程中的溫度控制，Delaloye和Niedermeier[6]對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料的聚合物隔膜成型工藝的成型過(guò)程和加熱過(guò)程進(jìn)行了研究，評(píng)估了不同模具類(lèi)型對(duì)縮短加工時(shí)間的作用，并指出采用紅外加熱是縮短加工時(shí)間的有效手段。Labeas和Watiti[7]提出了一種新的紅外加熱隔膜成型工藝的熱力學(xué)模擬，能在預(yù)熱階段和成型階段同時(shí)預(yù)測(cè)機(jī)械變形和熱響應(yīng)。這個(gè)模型能對(duì)紅外預(yù)熱和成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。包括對(duì)模具溫度、紅外燈的功率及位置和螺距、碳纖維/PEI熱塑性平板的不同厚度等參數(shù)的優(yōu)化。此外，他們還提出預(yù)熱階段同時(shí)對(duì)模具加熱能減少由于預(yù)浸料板與模具間熱交換而導(dǎo)致的熱損失，從而保證制件整體溫度均勻。

此外，溫度對(duì)制件質(zhì)量和性能的影響也是研究重點(diǎn)。Cogswell F.N.[8]提出，理想熱塑性基體復(fù)合材料基體在成型溫度下的粘度應(yīng)該介于100～10 000Pa·s之間。Biao Liang等[9]研究了航空用熱塑預(yù)浸料在特定熱變形溫度下的彎曲性能，進(jìn)行了特定溫度范圍內(nèi)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮和碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚（PPS）預(yù)浸料的懸掛實(shí)驗(yàn)，通過(guò)熱電偶分析了試樣的溫度分布，發(fā)現(xiàn)對(duì)預(yù)浸料抗彎剛度影響最大的是成型溫度，因?yàn)轭A(yù)浸料成型的溫度非常接近樹(shù)脂的融化溫度，同時(shí)抗彎剛度直接影響了成型過(guò)程中褶皺的尺寸；并采用上述方法得到的抗彎剛度進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。NingHaibin等人[10]測(cè)試了不同鋪層數(shù)的碳纖維/PPS預(yù)浸料固化時(shí)的沿厚度方向的溫度曲線。提出單隔膜成型工藝在厚度方向的溫度梯度可能引入殘余應(yīng)力，這可能會(huì)降低制件的機(jī)械性能或產(chǎn)生變形。Sun Jing等人[11]研究了熱隔膜工藝中成型溫度對(duì)成型碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料C型梁結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量及內(nèi)部缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)制件成型質(zhì)量：①隨成型溫度增加，預(yù)浸料層板的厚度減小程度增加，拐角變薄程度也增加；②制件邊緣出現(xiàn)了一定的厚度梯度，制件外表面質(zhì)量均較好。但成型溫度過(guò)低會(huì)使制件表面出現(xiàn)褶皺且制件孔隙率較高；過(guò)高的成型溫度則會(huì)使得樹(shù)脂流出，從而導(dǎo)致層合板的纖維體積分?jǐn)?shù)減小。此外，他們還研究了預(yù)浸料層的層間滑移能力對(duì)制件質(zhì)量的影響及成型溫度對(duì)滑移能力的影響。對(duì)預(yù)浸料層間的摩擦阻力測(cè)試得到的力-位移曲線可以分為線性區(qū)、過(guò)渡區(qū)和平衡區(qū)3部分。預(yù)浸料層間的滑移能力與成型溫度、層合板的成型質(zhì)量有很密切的關(guān)系。

熱塑性復(fù)合材料多采用超塑性鋁箔或聚酰亞胺等高溫聚合物膜作為隔膜材料，熱固性復(fù)合材料多采用高彈性的硅橡膠膜或聚酰亞胺等聚合物膜。隔膜的剛性、變形率等均影響熱隔膜成型件的質(zhì)量。Monaghan M.R.等人[12]研究了隔膜剛度對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮材料成型的制件質(zhì)量的影響。研究主要涉及3種聚合物隔膜材料（Upilex-R、Upilex-S和Kapton-H）以及1種金屬隔膜Supral。結(jié)果表明：隔膜剛度越大，所需要的成型時(shí)間越長(zhǎng)；在成形速率相同的條件下，制件表面質(zhì)量隨隔膜剛度增加而有所改善，面外屈曲受到抑制；隔膜剛度越大，所需要的成型壓力越大，鋪層受到較大的壓實(shí)力，纖維橫向流動(dòng)作用強(qiáng)烈，會(huì)造成制件較大的厚度改變。H.E.N.Bersee和 A.Beukers[13]則研究了溫度、壓強(qiáng)、成型速率對(duì)耐高溫聚酰亞胺（PI）隔膜的變形性的影響。成型溫度低于275℃時(shí)，上隔膜滑過(guò)下隔膜具有很好的變形性。溫度在305℃以上時(shí)，上隔膜不能在下隔膜上滑動(dòng)。溫度在275～305℃之間時(shí)，是之前2種情況的過(guò)度。此外，壓力對(duì)隔膜變形性的影響很小，成型速率對(duì)下隔膜的變形性基本沒(méi)有影響，上隔膜則對(duì)成型速率表現(xiàn)出了一定的依賴(lài)性。

三、熱隔膜成型工藝變形機(jī)制及失效行為研究進(jìn)展

多層纖維的熱隔膜成型過(guò)程涉及到多種變形機(jī)制，Long and Clifford[14]將變形機(jī)制分為層內(nèi)剪切、層內(nèi)拉伸/壓縮、層間（鋪層與模具間、鋪層與鋪層間）剪切、樹(shù)脂流動(dòng)和壓實(shí)、鋪層彎曲等。其中鋪層間剪切力將引起預(yù)浸料的層間滑移，而層間滑移可以一定程度上緩解熱隔膜成形時(shí)由預(yù)浸料層彎曲產(chǎn)生的拉伸和壓縮應(yīng)力，抑制制件產(chǎn)生纖維褶皺。有研究表明單向帶預(yù)浸料層的面外褶皺是面內(nèi)剪切和鋪層壓縮共同作用的結(jié)果[15]，且褶皺一般從鋪層受載方向剛度最弱的地方開(kāi)始形成[16]。

不少學(xué)者對(duì)預(yù)成型零件的褶皺及面內(nèi)屈曲等成型過(guò)程的失效行為進(jìn)行了研究。Gutowski等人[2]提出雙隔膜成型工藝中熱塑和熱固復(fù)合材料層壓板起皺是失效的主要原因。對(duì)比熱固性復(fù)合材料起皺的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和基本定律發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)理想運(yùn)動(dòng)的假設(shè)及對(duì)制件尺寸變化的限制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基本定律基本吻合。他們特別針對(duì)制件的尺寸效應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)的影響進(jìn)行了觀察，提出了關(guān)于這個(gè)影響的經(jīng)驗(yàn)性定律。此外，他們還對(duì)熱塑性復(fù)合材料和熱固性復(fù)合材料的隔膜成型進(jìn)行了比較，提出盡管熱塑性復(fù)材和熱固性復(fù)材的成型的基本機(jī)制相似，但由于其流變性能、隔膜張力和成型周期不同從而使它們?cè)诔尚蜁r(shí)的失效趨勢(shì)不同。

McGuinness等人[17]采用一種混合補(bǔ)償?shù)挠邢拊椒?，?duì)于滿(mǎn)足材料不可壓縮性和纖維不可伸長(zhǎng)性的雙運(yùn)動(dòng)學(xué)約束條件的理想纖維增強(qiáng)牛頓流體建立了分析模型。提出了層壓材料中的應(yīng)力是作用于每個(gè)層的平均應(yīng)力這一個(gè)重要假設(shè)，這就假定了每一層的應(yīng)力是相對(duì)獨(dú)立并不是相互作用的。他們用相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)圓形、方形等形狀的準(zhǔn)各向同性試件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于單向帶和織物鋪成的層壓板，與纖維方向成45°方向的剪應(yīng)力決定了屈曲形式，屈曲一般發(fā)生在對(duì)角線方向上，既不沿著也不垂直于增強(qiáng)纖維方向。但對(duì)于準(zhǔn)各向同性的層壓板，軸向應(yīng)力導(dǎo)致了纖維移動(dòng)并決定了失穩(wěn)的發(fā)生，而切向應(yīng)力的大小取決于這些切纖維的長(zhǎng)度以及工件的幾何特征。在所有條件下，快速成型均增加了屈曲的嚴(yán)重性。此外，層板直徑和寬度也對(duì)制件質(zhì)量有重要影響：對(duì)于單向和正交循環(huán)鋪層，層板直徑加大會(huì)使屈曲更嚴(yán)重；層板寬度減少，切應(yīng)力將導(dǎo)致在0°和90°位置層板屈曲的增加。在所有的情況下，0°位置處均產(chǎn)生更大的應(yīng)力。其模擬結(jié)果準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了層壓板產(chǎn)生較嚴(yán)重失穩(wěn)的位置，并指出對(duì)層壓板完整的穩(wěn)定性分析需要對(duì)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，雖然應(yīng)力模擬遵從實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但仍不能由模擬結(jié)果完全解釋實(shí)驗(yàn)中的失穩(wěn)問(wèn)題。

James S.等[16]提出了一種新褶皺形成機(jī)理，該機(jī)理與由制件材料與工裝的熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的剪切力及制件在形成R角的過(guò)程中發(fā)生的鋪層滑移有關(guān)；并通過(guò)去除脫模布來(lái)增加摩擦剪應(yīng)力以阻止褶皺的形成證明了文中提出的機(jī)理。Hallander P.[18]對(duì)單向預(yù)浸料層的鋪層順序與褶皺形成之間關(guān)系進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)鋪層順序?qū)︸薨櫟漠a(chǎn)生具有決定性作用。而褶皺的形式是多樣的，既可能是全部鋪層的屈曲，也可能僅僅是單個(gè)鋪層的局部壓縮。其中全部屈曲是由于材料過(guò)多造成的，主要取決于幾何耦合；而局部壓縮則是成型過(guò)程中材料間的剪切作用，且這類(lèi)褶皺的發(fā)生主要取決于鋪層順序。此外，通過(guò)研究相鄰纖維層對(duì)文中給出了一種增加熱隔膜成型工藝窗口的潛在方法：通過(guò)局部操作相鄰纖維層（相鄰層對(duì)）鋪層順序來(lái)改變預(yù)浸料疊層的層間性能（尤其是重要界面的層間作用力）以改變疊層成型時(shí)的變形機(jī)制。

四、結(jié)語(yǔ)

目前，波音、空客、龐巴迪等航空制造企業(yè)已廣泛采用熱隔膜成型工藝應(yīng)用于多種機(jī)型的復(fù)合材料翼筋條與梁的生產(chǎn)。自由號(hào)空間站（SSF）機(jī)架結(jié)構(gòu)中I型梁、角形件和W型件[19]，波音777的尾翼肋弦和V22長(zhǎng)桁[1]、軍用運(yùn)輸機(jī)A400M機(jī)翼梁[20]均采用熱隔膜成型工藝制造。熱隔膜成型工藝方法已證明是一種成功的工業(yè)化制造緣條尺寸較短、厚度有限的筋條與梁的方法。隨著國(guó)內(nèi)民機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展及復(fù)合材料在國(guó)產(chǎn)民機(jī)上的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的熱隔膜成型技術(shù)也在快速發(fā)展。

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