鞠強(qiáng)

摘要：復(fù)合型材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用逐漸在增多，符合材料的構(gòu)件也逐漸開(kāi)始復(fù)雜化和大型化，采用傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較低，材料的成型質(zhì)量也不穩(wěn)定，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況的需求，逐漸產(chǎn)生了新型的工藝技術(shù)，即熱隔膜成型技術(shù)，這種技術(shù)和自動(dòng)鋪帶技術(shù)結(jié)合，能夠進(jìn)行熱固性符合材料的預(yù)成型，提高了材料成型的效率及質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;熱隔膜預(yù)成型;工藝

引言：

因?yàn)閺?fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛，采用傳統(tǒng)的手工工藝已經(jīng)滿足不了現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的需求，自動(dòng)鋪帶技術(shù)也無(wú)法完成異型呈力結(jié)構(gòu)的鋪貼，因此，為了滿足生產(chǎn)需求，隨即研究出了一種新的熱隔膜預(yù)成型工藝，這種工藝能將鋪貼好的預(yù)浸料層進(jìn)行增溫增壓，然后將其折成C型或者L型等各種異型結(jié)構(gòu)。本文將對(duì)復(fù)合材料的熱隔膜預(yù)成型工藝進(jìn)行論述。

一、熱隔膜預(yù)熱成型設(shè)備參數(shù)及工裝設(shè)計(jì)

熱隔膜成型設(shè)備包含這么幾個(gè)組成部分：加熱庫(kù)、隔膜框、真空床、預(yù)熱床等。它的配套系統(tǒng)有熱工系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等。單隔膜成型技術(shù)可以使用單隔膜設(shè)備或者雙隔膜設(shè)備，單隔膜設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)只需加熱庫(kù)、真空床以及隔膜框。雙隔膜成型技術(shù)只能使用雙隔膜設(shè)備，雙隔膜設(shè)備運(yùn)行時(shí)需要隔膜框、加熱庫(kù)、移料床、真空床等[1]。在進(jìn)行熱隔膜預(yù)成型時(shí)，設(shè)備問(wèn)題或者工藝問(wèn)題都有可能造成零部件的缺損，如果是設(shè)備問(wèn)題造成的零部件缺損，可以在后期進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化和維護(hù)以避免問(wèn)題發(fā)生。如果是工藝因素所致的零部件缺損，則只能優(yōu)化工藝改善缺陷的產(chǎn)生。工藝因素主要是預(yù)成型溫度和成型速率。預(yù)成型的溫度對(duì)預(yù)浸料的流動(dòng)和變形能力都有決定性的影響，因此也是影響零部件質(zhì)量的重要因素。一般碳纖維預(yù)浸料的預(yù)成型溫度在45-80℃，當(dāng)溫度在45℃時(shí)，零件拐角處的褶皺較為嚴(yán)重，當(dāng)溫度在60-80℃之間時(shí)，則拐角處表面光滑，沒(méi)有褶皺[2]。因?yàn)闇囟容^低時(shí)，層間的變形能力較強(qiáng)，而滑動(dòng)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(chǎn)生褶皺。所以，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，最合適的溫度是60℃或者80℃，以這樣的溫度進(jìn)行熱隔膜預(yù)成型是最佳的。

在進(jìn)行熱隔膜預(yù)熱成型時(shí)，不同階段的溫度、壓力都會(huì)產(chǎn)生變化，但這時(shí)成型工裝卻不能發(fā)生型變，它需要保持一定的熱穩(wěn)定和剛性。因?yàn)楦裟け?，因此工裝必須平整光滑、無(wú)縫隙，無(wú)鋒利尖角。成型工裝在熱隔膜成型時(shí)對(duì)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(yáng)模，陰模工裝預(yù)成型的零件質(zhì)量較難把控，因此熱隔膜成型一般不采用陰模工裝。而陽(yáng)模工裝加工起來(lái)容易得多，成本也低，適合自動(dòng)鋪帶技術(shù)，常被作為雙隔膜預(yù)成型的工裝。

真空速率對(duì)零件的質(zhì)量也有重要影響，在雙隔膜預(yù)成型時(shí)，雙隔膜間和真空床都是兩個(gè)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(yù)成型只需控制真空床壓力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)溫度處于80℃時(shí)，利用三種不同速率進(jìn)行C型梁的預(yù)成型，三種速率中，速率越大的情況下，零件拐角褶皺越嚴(yán)重，因?yàn)檎婵账俾试黾訒r(shí)，拐角變形速度就會(huì)加快，預(yù)浸料層間的滑移變?nèi)?，所以易形成褶皺?/p>

二、熱隔膜預(yù)成型工藝技術(shù)過(guò)程

熱隔膜預(yù)成型是對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行預(yù)成型的一種方法，它是鋪貼一個(gè)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(shí)間內(nèi)利用隔膜輔助，預(yù)成型一種內(nèi)部沒(méi)有孔隙，拐角沒(méi)有褶皺且沒(méi)有纖維屈曲的零部件。如果對(duì)熱隔膜預(yù)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(yù)成型和雙隔膜預(yù)成型。兩種方法的具體情況如下：

（一）單隔膜預(yù)成型的過(guò)程是將平板預(yù)浸料放在工裝表面，將隔膜放在平板預(yù)浸料的上面，用隔膜框夾住隔膜，利用紅外進(jìn)行加熱，等到溫度達(dá)標(biāo)后，通過(guò)對(duì)真空速率進(jìn)行控制，讓平板預(yù)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(yù)熱成型的過(guò)程是將平板預(yù)浸料固定在兩個(gè)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(lái)增壓，再利用紅外加熱，等到溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)后，再繼續(xù)抽真空，最終讓兩個(gè)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(yù)成型和雙隔膜預(yù)成型都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。單隔膜預(yù)成型對(duì)于抽真空的速率無(wú)法進(jìn)行精確控制，因此零件內(nèi)夾雜的氣體也無(wú)法有效排出去，零件內(nèi)部會(huì)形成大量孔隙，所以零件的內(nèi)部質(zhì)量不佳[3]。另外，因?yàn)樽灾卦蛑率构战翘幱泻芏囫薨?，在單隔膜預(yù)成型過(guò)程中，對(duì)于層壓件不能進(jìn)行準(zhǔn)確定位，所以很容易造成滑動(dòng)，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中不方便使用。但是，從隔膜的使用方面來(lái)看，它的工藝簡(jiǎn)單，可以節(jié)省原材料成本，預(yù)成型的時(shí)間也會(huì)縮短。雙隔膜預(yù)成型過(guò)程中，因?yàn)閷訅杭趦蓚€(gè)隔膜之間，所以真空速率能得到較好的控制，因?yàn)閷訅杭焕卫螉A緊，因此滑動(dòng)的現(xiàn)象明顯減少了很多。用雙隔膜成型工藝來(lái)預(yù)熱成型相同厚度的C型零部件，可以形成表面質(zhì)量較好的零部件。但是如果預(yù)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(yù)成型時(shí)，層壓件薄的區(qū)域拉拽厚區(qū)域的材料，造成厚區(qū)域材料滑動(dòng)到薄的區(qū)域，在薄厚過(guò)度的位置容易產(chǎn)生褶皺，尺寸精度無(wú)法保證。

結(jié)語(yǔ)：

熱隔膜預(yù)成型工藝在航空領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛，它與自動(dòng)鋪帶技術(shù)結(jié)合形成了一種重要的工藝方法，在工藝進(jìn)行中，選擇合適的參數(shù)，能夠確保材料的質(zhì)量和外觀都能達(dá)到預(yù)期。利用科學(xué)合理的方法熱隔膜預(yù)成型工藝操作，對(duì)于制造一些異型結(jié)構(gòu)的材料是很有幫助的，但是還需要更為詳盡的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)作為依據(jù)。目前，熱隔膜成型并沒(méi)有被人們廣泛認(rèn)知和發(fā)展，但是隨著技術(shù)的革新和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，這種成型技術(shù)將會(huì)越來(lái)越受到青睞。

參考文獻(xiàn)

[1]黃彬瑤，張君紅.熱隔膜成型技術(shù)工藝進(jìn)展研究[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2017（10）：50-54.

[2]趙學(xué)瑩，戴東梅，宋春杰，等.熱固性碳纖維復(fù)合材料熱隔膜預(yù)成型工程化應(yīng)用研究[J].纖維復(fù)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(gòu)模型[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，51（9）：1025-1030.