热压罐成型复合材料成型工艺的常见缺陷及对策

姚旭宾

航空工业哈飞 黑龙江省哈尔滨市150000

摘要：复合材料工业的基础和条件是复合材料成型工艺，复合材料应用的进一步拓宽，将使复合材料工业进入一个崭新的阶段。热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强各种热塑性树脂的总称，国外称Fiber Rinforced Thermo Plastics（简称FRTP）。热固性复合材料是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶（熔）特性的复合材料。由于热塑性树脂和增强材料种类不同，其生产工艺和制成的复合材料性能差别很大。复合成型工艺优点很突出，近十年在我国得到了快速发展但未能有重大突破，与其他发达国家相比还有距离。

关键词：复合材料；成型工艺；缺陷

热压罐成型方法具有许多其他工艺不具备的优点，可制造形状复杂的制件，制品质量问题，成型工艺灵活，适于生产大面积整体成型构件，纤维含量高，孔隙率低。热压罐成型工艺具有设备投资高，成型周期长的特点，热压罐成型复合材料构件主要缺陷包括外形尺寸与内部治理等，内部质量包括分层，夹杂等。造成缺陷的原因种类繁多，包括制造中的人机料法环各环节的相关工序。热压罐工艺是目前复合材料构件最主要的成型方法, 复合材料构件复杂的结构形式往往导致其在热压成型过程 中热传导、压力传递及其引起的树脂流动、纤维密实与变形、固化反应等物理化学作用机制更加复杂, 易产生多种缺陷, 工艺控制难度加大。

一、热压罐成型工艺

1、热压罐成型工艺过程。热压罐(HotAirAutoclave 或简写 Autoclave)是一种针对聚合物基复合材料成型工艺特点的工艺设备，使用这种设备进行成型工艺的方法叫热压罐法。热压罐成型法是制造连续纤维增强热固性复合材料制件的主要方法，目前广泛应用于先进复合材料结构、蜂窝夹层结构及金属或复合材料胶接结构的成型中。热压罐成型法也有一定的局限性，结构很复杂的构件，用该方法成型有一定困难。同时此法对模具的设计技术要求很高，模具必须有良好的导热性、热态刚性和气密性。将预浸料按铺层要求铺放于模具上，并密封在真空袋中后放入热压罐中，经过热压罐设备加温、加压，完成材料固化反应，使预浸料坯件成为所需形状和满足质量要求的构件的工艺方法。

2、缺陷研究。在复合材料制件中主要缺陷的比例从高到低依次为分层、孔隙、气孔、富脂、贫胶、脱粘、疏松、弱粘、变形。其中分层所占比例最高，超过，气孔、孔隙的比例也比较高，其他缺陷比例相对较低。因此，分层缺陷是热压罐成型工艺中最主要的缺陷形式。在材料体系一致时，分层主要受复合材料构件的结构形式和工艺条件影响。

二、热压罐成型机理

热压罐固化过程是所有加工工序中最具决定意义的，因为最终制件的质量、性能(每层的厚度、交联度和空隙率)都是由这一过程决定的。固化工艺曲线的选择和设计是影响产品质量的重要因素。树脂固化过程中发生化学反应，复合材料内部的温度分布不仅依赖于模具提供的外热源，还与树脂固化反应的放热量有关。热压罐成型工艺固化过程的温度分布本质上是一个具有非线性热源的热传导问题，其中的热源来自于树脂的放热化学反应。放热反应可以导致复合材料局部温度较高，而形成复杂的温度梯度分布，结果将导致非均匀固化。非均匀固化可以导致残余应力的发展而影响复合材料制品的质量。因此，选择合理的固化工艺曲线成为复合材料生产者十分关心的问题。固化过程中，各种化学和物理现象同时发生。交联引起了反应物质物理性质的变化，如分子量和和树脂粘度的增加。这些物理变化有两个临界点：凝胶点和玻璃化点。凝胶点指树脂从液态到橡胶态的转变。而玻璃化点发生在当玻璃化转变温度达到固化温度的时候，标志着从橡胶到凝胶化玻璃或液态到非凝胶化玻璃的转变。

三、热压罐成型复合材料成型工艺的缺陷及对策

其成型工艺特点主要是罐内压力均匀，真空带内的零件在均匀压力下成型。适用范围广，成型工艺稳定，热压罐温度条件几乎满足所有聚合物基复合材料的成型工艺要求。可保证成型的及零件质量问题，热压罐成型工艺制造的层合板孔隙率较低，相对其他成型工艺成型层板力学性能稳定。热压罐工艺存在一些不足，投资建造大型热压罐的费用很高，需专人操作，成型过程中耗费大量能源，形状复杂的结构不适用热压罐成型工艺。

1、非等厚层板缺陷。复合材料零件的内部质量主要通过无损检测方法判定，零件的材料类型，外形尺寸不同，产生的缺陷不同。非等厚板是基本的复合材料结构形式，广泛应用于航空航天等翼面及壳体结构，非等厚板材的树脂流动包括沿垂直于层板方向流进吸胶层，与在层板内沿平行纤维方向流出两种形式。面内尺寸大于厚度尺寸时，可认为树脂只沿厚度方向流动。压力传递与温度分布较均匀，出现缺陷比例较低。在厚度梯度区树脂可沿厚度方向流动，存在渗流机制与剪切流机制之间的耦合作用。树脂有由平板向梯度区流动的趋势。非等厚层板外压作用下梯度区纤维可能发生滑移，层板在过渡区出现富脂等缺陷。由于复合材料的各向异性，引起膨胀系数与热应变的各向异性。在铺层长短搭接处出现分层等缺陷。

2、曲率构件缺陷。工程制造中，对非等厚层板在铺叠时采取多次抽真空压实，可通过预吸胶工艺吸走多余的树脂。梯度宽度减小会增加缺陷的比例，铺层变化应避免突变，阶梯宽度应大于 2MM，尽量降低产生缺陷的比例。曲率构件包括 L 型与 U 型等曲率半径变化较大的构建，由于其本身的曲面结构，其成型过程比平板复杂。弧形构件预浸体系受外界压力后，内部形成应力状态。剪切应力大致拐角区域在密实中纤维发生剪切变形。造成纤维变形。拐角区是缺陷密集区，阴模成型时，铺叠过程中纤维易架桥，拐角易产生富树脂，阳模成型时，拐角厚度偏薄，易造成分层等缺陷。影响拐角区缺陷的主要因素包括材料及铺层设计，受模具圆角半径等影响，圆角半径设计过小可能在拐角区发生纤维拉断等制造缺陷，设计复合材料结构时，拐角处尽量给出较大半径，复合材料层压零件最小圆角半径按经验公式 rmin = 1+0．1n 计算。N 为拐角处层数，用阳模铺贴 r≥t，用阴模铺贴 Ｒ≥2t，Ｒ 为圆角半径。t 为平板区域的厚度。

3、外形尺寸化，从变形产生机理可分为热应力影响零件外形尺寸的因素主要由固化变形导致的尺寸变，温度梯度与树脂固化度等。复合材料铺层在不同主轴方向具有不同的热膨胀系数，温度改变引起热膨胀与铺层方式关系密切。曲率零件即使采用对称铺层，成型过程中材料因温度变化效应在应变在各方向并非一致。导致复合材料结构件的回弹固化变形。对称蒲城弯曲零件受温差 δt 作用，零件拐角变为 θ+δθ。热固性树脂在聚合反应时，交联密度增加伴随体积减小，固化收缩过程中横向收缩应变大于轴向。固化早期反应树脂处于粘流态，但不产生残余应力。热固性树脂的化学反应速度与所处温度有关，如零件部位温度在固话中保持均匀分布，各部位温度在固话中无法保持均匀分布，基体树脂的反应造成树脂模量与固化收缩应变不一致。薄层板差异很小。厚层板由于其低的横向热传导系数，层板中间温度小于表面温度，化学反应热迅速增加。固化过程层板内部显著的温度与固化梯度。较快的加热速率影响模具温度场均匀性，内部产生明显的温度梯度。较慢的加热速率会造成工时的增加。

非等厚板材梯度区的分层的主要区域，与树脂的二维流动有关，合理的铺层设计可有效解决过渡区的缺陷。模具与零件相互作用等是影响固化变形的主要因素。结构设计及生产过程控制等是减少变形的有效方法。热塑性复合材料工艺在发达国家已受到普遍重视，速度发展较快。热塑性树脂基拉挤成型工艺在国外已进入实用时期，我国必须要完全掌握增强纤维的浸渍工艺水平，进一步提高各种生产设备的稳定性。

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