复合材料长桁共固化成型工艺
复合材料长桁共固化成型工艺【1】
摘 要：复合材料长桁种类主要包括“工”字长桁;“T”字长桁;“Ω”长桁等。
长桁制造工艺采“复合式铺叠”，通过整体定位实现壁板及长桁共固化成型，各种长桁共固化成型完全采用数字化制造定位盖板，制造工艺上完全实现数字化在复合材料成型上的应用，使用该成型工艺保证壁板的成型质量及轮廓尺寸;长桁内部及外观质量;长桁行位公差有标志性的提高;整体构件质量。
关键词：长桁 整体成型 数字化盖板 共固化
该文描述热固性复合材料壁板类零件共固化成型工艺，长桁截面种类包括“工”字长桁;“T”字长桁;“Ω”长桁的成型工艺，采用新成型工艺解决在制造中出现质量问题，提高零件的成型质量及工作效率。
复合材料壁板类零件制造采用长桁与蒙皮整体共固化成型工艺，辅以复合材料数字化制造工艺盖板，实现复合材料壁板类零件的整体成型。
1 制造用材料描述
1.1 材料描述
零件试验制造选用材料为cytec生产的环氧树脂基预浸料，选择材料为高温固化、高增韧环氧树脂基干法预浸料。
碳纤维增强体是赋予复合材料制件的高强度和高模量等力学性能的关键因素。
本预浸料是高强度碳纤维，纤维拉伸强度为5.59 GPa，拉伸模量为294 GPa，延伸率为1.9%，该材料已在多种机型上广泛应用。
1.2 基体材料描述
复合材料基体材料在制件中是关键作用，(1)将增强体粘接成整体;(2)在纤维之间起传递载荷，并使载荷均匀;(3)保护纤维，防止纤维受损。
复合材料的多数性能与基体材料密切相关，复合材料的耐热性、耐腐蚀性、阻燃性、抗辐射、耐溶剂性、吸湿及相关工艺性能都取决于基体材料。
复合材料制件的成型工艺及固化参数都取决于基体材料。
一般典型环氧树脂基体黏度曲线如图1所示，一般在77 ℃左右数值黏度达到最低，数值流动性最高。
环氧数值在固化过程中通过化学反应交联成为三维网状结构。
单纯的环氧数值固化后物性脆，制件CAI值很差，因此选用基体材料做增韧处理，该文涉及材料全部进行了高增韧处理。
1.3 环氧树脂性质
环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基，以脂肪族或芳香族有机化合物为骨骼并通过环氧基团反应能形成有用的热固性产物的高分子低聚体。
环氧树脂及固化物的性能相似。
1.3.1 环氧树脂固化
环氧树脂含有伸张的三元环，非常容易和各种交联剂反应。
固化树脂的性能不仅依赖于环氧树脂的结构，同时也依赖于固化剂的类型和用量，利用固化剂中的某些基团与环氧树脂中的环氧基或羟基发生反应来实现的。
环氧树脂体系的固化速度有固化剂类型和用量、固化条件所决定。
1.3.2 环氧树脂结构与性能
环氧树脂实际上是含有不同聚合度分子的混合物，且部分分子可能支化，以及极少部分终止的基团是氯醇基团，因此，环氧树脂的环氧基含量、氯含量和分子质量分布等对树脂的固化及固化物性能有很大影响。
环氧树脂的性能除与合成条件有关外，主要取决于分子结构，环氧树脂中的缩水甘油基团是柔性链段，可以降低树脂的黏度，提高工艺性能，但同时降低了固化树脂的耐热性。
1.3.3 环氧树脂增韧
环氧树脂最大的弱点是韧性差，固化后环氧树脂性脆，耐冲击性较差，容易开裂。
因此用于高性能复合材料需要对其进行改性，主要途径有以下几种。
用弹性体、热塑性树脂或刚性颗粒等第二相来增韧。
用热塑性树脂连续地贯穿于热固性树脂中形成互穿网络来增韧改性。
通过改变交联网络的化学结构以提高网链分子的活性能力来增韧。
有控制分子交联状态的不均匀性来形成有利于塑性形变的非均匀结构来实现增韧。
1.4 环氧树脂体系化学流变特性分析
1.4.1 动态黏度分析
某型号环氧树脂体系动态黏度测量曲线如图1所示。
该树脂体系在90 ℃以下，树脂体系黏度最低，因此在制造工艺上需根据树脂的测量报告作出相应的工艺调整。
2 复合材料壁板类零件成型工艺参数分析
影响复合材料成型工艺的参数包括温度、压力、时间等要素。
固化温度高低影响树脂与固化剂的反应活性，对于环氧树脂，固化一般是以固化剂为中心，反应由中心以辐射状向四周发展，形成两项球粒的固化网络结构。
从力学性能角度环氧树脂在固化过程中分为四种状态：未凝胶玻璃态、黏流态、高弹态、凝胶后玻璃态。
整个过程分为四个阶段：从未凝胶玻璃态到黏流态;从黏流态到凝胶点;从凝胶点经高弹态到凝胶后玻璃态;凝胶后玻璃态内的固化反应。
其中，当黏流态到凝胶点转变时，树脂开始成为一个支化的巨大网络分子，但未完全交联，仍有部分链段可以滑移。
而当高弹态到凝胶后玻璃态转变时，树脂已成为体型结构，链段运动被冻结。
因此坯料在热压罐中固化，固化速率过快固化剂被包围无法与较远的大分子团反应，导致结构不均匀，网络交联密度相差较大，内应力大。
因此选择合适的温度速率固化尤为重要。
3 复合材料长桁结构描述
国内飞机复合材料构件主要应用于飞机尾翼、机身、舵面、整流罩、装饰等，在壁板制造上多采用复合材料壁板长桁结构，用以提高壁板整体弯曲、拉伸能力及稳定性。
由于增强纤维复合材料属各向异性，长桁设计采取复合材料力学耦合设计，采用0 °、±45 °、90 °铺层组合，设计出满足载荷需求对称结构。
3.1 复合材料“工”长桁结构描述
“工”字长桁是由上翻边、卧边及左右立边构成，保证铺层对称耦合，长桁与面板泊松比匹配等要求。
根据零件承载不同，长桁铺层角度比例合理。
具体如图2所示。
3.2 复合材料“T”字长桁描述
“T”字长桁是由左、右立边及下卧边构成。
具体结构如图3。
复合材料“Ω”长桁描述
“Ω”长桁结构是相对结构重量轻、总体结构稳定、固化内应力和翘曲变形最小，适于整体共固化成型。
结构示意图如图4。
4 复合材料长桁工装描述
4.1 复合材料“工”字长桁工装改进
一般“工”字形长桁的工装为组合式工装，分为左成型模、右成型模与上档条，如图5。
壁板、长桁工装材料采用与复合材料热膨胀系数相匹配的材料制造，盖板采用复合材料。
成型工装、长桁工装、定位盖板采用数控加工制造，定位盖板与成型工装采用定位销连接，保证数字化传递的准确性。
在长桁工装两侧增加定位耳片，保证长桁卧边质量。
4.2 复合材料“T”字长桁工装改进
“T”字形长桁的工装为组合式工装，分为左成型模、右成型模与上限位块，如图6。
工装材料采用与复合材料热膨胀系数相匹配的材料制造。
上限位块主要是控制长桁立边厚度及成型偏差。
在长桁工装两端面预留台阶便于脱模。
4.3 长桁0 °纤维填充工装
长桁0 °纤维填充工装针对长桁不同R角设计的填充工装，保证中间空隙填充致密及纤维方向。
具体工装形式如图7。
5 整体固化成型
整体化结构是最近几年人们才提出的一种设计理念。
所谓整体化结构就是指结构在设计制造时尽量采用一次成型的技术取代由零部件经紧固件进行连接组合而形成的整体结构。
整体化结构一般分共固化、胶结共固化、二次胶结三种方式。
共固化就是指坯料1和坯料2固化形成的整体结构件。
长桁定位采用数控加工盖板，保证数字化传递的准确性，又能保证零件的轮廓尺寸和成型质量。
壁板共固化具体工艺流程如下：
在胶接前完成长桁和壁板预浸料的铺叠并分别进行预压实处理;清理胶接表面的污染。
按数模精确定位长桁。
控制固化参数，完成胶黏剂及树脂基体的固化交联反应。
总体流程图如图8所示。
6 热压罐整体成型技术
热压罐成型工艺具有罐内的加热温度及固化压力分布均匀，构件的几何形状几乎没有限制，适用范围广的特点。
与液体整体化成型工艺相比，热压罐工艺可以成型树脂基体粘度高、高纤维体积分数、需要高温高压工艺条件的整体化结构件。
热压罐内循环流动的加热(或冷却)气体使罐内各点气体温度基本相同，在模具结构合理的前提下，可保证密封在模具上的复合材料构件升降温过程中各点温差较小。
同时，因为用压缩空气、惰性气体或二者的混合气体向热压罐内充气加压，作用在真空带表面上的压力相同，使真空带内的构件在几乎均匀的压力下成型、固化。
热压罐成型工艺所用的固化模具相对比较简单，效率高，适合大面积复杂型面的蒙皮、壁板和壳体的成型。
可以成型或胶接各种飞机构件。
若热压罐尺寸大，一次可放置多层模具，同时成型或胶接各种较复杂的结构及不同尺寸的构件。
热压罐的温度和压力条件几乎能满足所有聚合物基复合材料的成型工艺要求，包括低温成型的聚酯基复合材料，高温和高压成型的PEEK复合材料，以及RFI等工艺的成型。
热压罐制造出的构件孔隙率较低，树脂含量均匀，构件力学性能稳定、可靠。
7 结语
(1)该文通过改进长桁工装的形式，解决加筋壁板的制造难题。
(2)解决盖板的精确制造及加工，保证数字化传递的准确性，解决加筋壁板共固化过程中的精确定位。
(3)分析了环氧树脂基本工艺性能，针对长桁整体成型的特点，选择合理固化参数。
(4)解决复合材料共固化长桁及组合工装上的典型问题。
参考文献
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[3] 益小苏.复合材料手册[M].北京：化学工业出版社，2009.
复合材料结构件固化成型工艺参数控制【2】
摘 要：复合材料在实际应用中具有良好的耐疲劳强度、耐高低温等特性，并且强度高、重量轻，在航天飞行器中应用广泛。
和普通金属材料相比，复合材料结构件固化成型工艺便于加工、操作、拆卸和组装，通过合理控制复合材料结构件固化成型工艺，可有效提高结构件质量和使用性能。
本文首先对复合材料结构件做了概述，分析了复合材料结构件固化成型工艺。
在探讨复合材料结构件固化成型工艺的基础上，研究了其整体固化成型工艺参数控制。
关键词：复合材料结构件;固化成型;工艺参数;控制
随着复合材料结构件的应用范围越来越广泛，其固化成型工艺要求越来越高，研究其参数控制凸显出重要意义。
作为一向实际应用效果良好的结构件，复合材料结构件得到了长足的发展和进步。
该项课题的研究，将会更好地提升其实践水平，从而有效优化复合材料结构件的整体水平。
1 复合材料结构件概述
复合材料结构件具有较高的耐腐性、刚度、强度等优势，在航空领域发挥着非常重要的作用，如飞机承力结构件、方向舵、垂直和水平尾翼、舱门、阻力板、发动机机罩等都采用了复合材料结构件[1]。
同时，飞行器利用复合材料结构件的可设计性和良好物理性能，有效降低了生产成本，使整个飞机结构减轻了20～40%的重量，而复合材料结构件的应用状态对于整个飞行器运行状态有着重要影响，其应用部位和材料用量是评价一个飞行器结构科学、合理的重要指标。
另一方面，应注意复合材料结构件的一些缺点，在操作使用或者维护不合理的情况下，受到弹伤、雷击、鸟撞等因素影响，复合材料结构件易发生断裂、破孔、裂纹、缺口、分层等缺陷，在一定程度上影响飞机的动态和静态运行性能。
2 复合材料结构件固化成型工艺
(1)手糊。
手糊固化成型工艺适用于形状结构复杂、面积较大的复合材料结构件，其主要是按照标准的铺层方法，将浸润在胶水中的胶布分层糊在模具上，然后进行加热固化，这种固化成型工艺的操作使用方法比较简单，但是效率较低;(2)缠绕。
缠绕固化成型工艺适用于方管、锥管、圆管等结构件中，在缠绕机上放上芯模，将结构件缠绕成型以后，然后进行加热固化，最后将芯模取出，加工成制品;(3)模压。
模压适用于质量要求高、尺寸小、形状结构复杂的复合材料结构件，在专用模具中将预浸料填充密实，结合进行合模，采用标准加工工艺，最后加热固化。
3 复合材料结构件固化成型工艺参数控制研究
复合材料结构件固化成型工艺参数控制主要包括保温时间、升降温速度、压力、温度等。
固化成型工艺从本质上是一个对复合材料结构件加压、加热的过程，使纤维和热固性树脂相结合，从而形成复合材料结构件。
因此，固化成型工艺参数控制对于复合材料结构件质量有着直接的影响。
(1)热压机压力、温度和操作控制。
在使用热压机过程中，应结合实践经验和具体情况，严格控制热压机运行工艺参数，在加热过程中，下层和上层加热板温度应明显高于中间层加热板温度，结合复合材料结构件的形状、结构和设计要求，合理把握热压机加热时间。
对于复合材料的碳纤维制品，在使用固化工艺时，按照工艺参数要求，当碳纤维制品温度达到130摄氏度时再进行一次加固，但是在实际操作应用中，在碳纤维制品温度达到120摄氏度时必须增加5MPa压力，否则碳纤维制品一旦形成胶凝态，再加压已经没有效果。
同时，结合不同季节的温度变化，合理控制模具温度和加热板温度之间的温差，夏季应尽量减小温差，冬季应尽量增大温差[2];(2)烘箱温度控制。
复合材料结构件放入烘箱中进行固化成型工艺，会经历两个温度折点，如图1所示，因此在进行固化成型工艺之前，应先了解工艺流程，在保温阶段应保温，在加热阶段应加热，特别注意在温度折点附近时，严禁超温，保障复合材料机构件质量。
在操作过程中，当模具温度低于烘箱温度15摄氏度时不再加温，这时到达第一个转折点，当模具温度逐渐上升，至折点还差4摄氏度时，将烘箱温度调节到115摄氏度，使复合材料结构在第一个转折点周围保持恒温，然后适当延长保温时间，在到达第二个转折点时，持续保温2h，当模具温度达到155摄氏度时，烘箱温度下降到167摄氏度，当磨具温度达到158摄氏度时，烘箱温度调节到162摄氏度，在整个固化成型工艺中，规范记录复合材料结合件温度。
另外，还应注意真空泵冷却用循环水水压控制情况[3]，在固化成型操作过程中，冷却真空泵持续通过循环水，确保江循环水水压的稳定正常。
3.3 热压罐压力、温度控制
在外加压、抽真空状态下，热压罐可在短时间内将罐中的温度调整均匀，在必要情况下，热压罐还可强制降温，有效加快固化成型速度，提高复合材料结构件质量。
使用热压罐对复合材料结构件进行固化成型，应严格控制加外压和卸掉真空的时间，时间过晚或者过早都会影响结构件质量，对热压罐抽真空可快速抽出低分子气体和挥发物。
加外压主要是在胶凝状态下树脂相变，加压时间过早，会导致树脂流失，使得复合材料结构件贫胶[4]，加压时间过晚，复合材料结构件内部会呈现疏松状态，产生气泡或者孔隙，因此应衔接好加外压和卸真空操作。
4 结语
复合材料结构件作为一种新型的材料产品，在航天航空领域发挥着重要作用，固化成型工艺是保障复合材料结构件质量的关键环节，应结合复合材料结构件的实际特性和加工要求，采用合适的固化成型方法，严格控制固化成型工艺参数，规范热压机、烘箱和热压罐的操作使用，不断提高复合材料结构件质量，在未来发展过程中，应继续加大对复合材料结构件固化成型工艺的研究，推动复合材料结构件在更多领域的应用。
参考文献：
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复合材料成型工艺方法【3】
【摘 要】科技的迅速发展使得传统材料的工艺技术满足不了人们的生活需求，而人们的生活发展又离不开材料的使用，所以，人们慢慢的开始转向了复合材料的工艺技术发展领域。
复合材料的工艺技术的基础就是复合材料成型工艺方法。
本文现介绍了复合材料的概念，介绍了复合材料的工艺方法以及特点、原理和应用，并对复合材料成型工艺的发展趋势进行展望，希望大家会对复合材料成型工艺方法有进一步的理解。
【关键词】复合材料;成型工艺;热塑性;热固性;工艺方法
复合材料一般是由多种成分的材料组合而成，这样做，可以将多种材料不同的功能进行性组合，优化材料的使用功能。
各种材料既能保持住个体的独立性，又能相互补充、扬长避短，一举两得。
复合材料的成型方法现已有几十种，虽然它比传统的材料有技术上的优点，但也正由于这些复杂的技术，使得复合材料的成本过高，其生产有很大的'技术困难。
所以我们就需要改进复合材料的成型工艺方法。
1.复合材料的概念及其特点
1.1复合材料的概念
ISO对复合材料做出了以下阐释：复合材料是由以上两种包括两种以上的物理化学材料物质，包含两种类型的材料。
一种为基体材料，一种为增强体材料。
其中基体材料是金属材料或者非金属材料，而增强体材料最为常见的是碳纤维、石棉纤维和玻璃纤维这三种。
1.2复合材料的特点
复合材料会根据材料的不用组成而造成性能上的差异，但其也有一些共性的特点，如：
复合材料的配比都是需要人工完成的;复合材料可以将各种普通材料的性能进行重组，可以使其具有多种优良性能;可以根据需要制作成各式各样的形状的产品，也避免了多次的复杂工序;可以有针对性的对材料根据需要对材料进行设计和加工等等。
2.复合材料的工艺方法
复合材料通常分为两种：热塑性复合材料和热固性复合材料。
2.1热塑性复合材料的工艺方法
2.1.1注射成型工艺
注射成型工艺是热塑性复合材料最主要的生产方法，其主要特点是成型的时间短、产品的精度高、能源的消耗少，但是这种工艺方法对模具的要求极高，这也是最不利的一点。
2.1.2挤出成型工艺
除了注射成型工艺，其他的工艺方法中应用比较广的就是挤出成型工艺了，挤出成型工艺的效率也很高，但与注射成型工艺不同的是其对设备和技术的要求很低，但其生产过程不能间断。
2.1.3拉挤成型工艺
拉挤成型工艺中需要注意的一点就是增强材料，一般为被浸过胶的预浸纱、预浸带或者没被浸过胶的纤维或者纤维带。
预浸纱或者纤维带通过拉力作用，经过成型模成型。
模中固化以后，会成型形成各种长度的复合材料。
2.1.4缠绕成型工艺
缠绕成型工艺的生产效率和质量都很高，成本却很低。
但其需要投入很大的资金，对技术要求也很高，对加工的材料也有要求，比如表面凹陷的制品不能缠绕。
其增强材料是被浸过胶的预浸纱、预浸带。
2.2热固性复合材料的工艺方法
2.2.1手糊成型工艺
手糊成型工艺最开始的形成复合材料的工艺，当然，也是最简单的工艺。
其制造步骤如下：现将树脂混合物涂在模具上，再在树脂混合物上铺上一层纤维化物，之后挤压织物，排出气泡并且浸胶充分后，重复涂树脂混合物和纤维化物的工作，直到达到了复合材料的要求厚度为止，加固成型之后脱模就能得到所需要的复合材料了。
但是形状相对复杂的和尺寸很大的材料一般不用这种成型方法。
2.2.2模压成型工艺
模压成型工艺需要先将一些材料放进预热过后的模具里，用高压使得材料在模具里分布均匀，之后，在温度的作用下，使得材料在模具里经过固化过程取下模具，在经过加工就能得到各式各样形状的模具了。
模压成型工艺的生产效率很高，生产出来的复合材料表面的光滑度很高，尺寸很准确，主要应用于中小型复杂程度工艺的批量生产。
2.2.3喷射成型工艺
喷射成型工艺需要运用喷枪技术，其制造过程主要是要把树脂和玻璃纤维的混合物用喷枪喷到模具上，再通过固化程序然后加工得到需要的材料。
2.2.4袋压成型工艺
将手糊的材料放入塑料袋(聚乙烯或聚乙烯醇)或者橡胶带中，通过挤压塑料袋或橡胶带来固化形成复合材料。
其在加工过程中要不断的添加材料来防止固化时因热胀冷缩而引发的龟裂现象，增强制品的耐热性和光滑程度。
3.复合材料工艺方法的特性
3.1复合材料可设计性强
通过配置不同比例和铺层形式的基体材料与增强体材料，可以设计出各种满足用户需求的功能的复合材料。
设计出的复合材料可以减轻材料、节约成本。
生产者根据需要选择合适的基础材料和增强体材料来进行工艺设计，使资源得到合理化的使用。
3.2复合材料具有高强度
复合材料的比强度一般都很高，比强度是强度与密度的比值，尤其是碳纤维复合材料和有机纤维复合材料的比强度极具优势。
比强度值越高，其强度越高，质量越轻。
这对于航天航空这些高精度和高强度的领域有很大作用。
3.3复合材料通常有良好的安全性
复合材料通过各种材料的复合使其具有了更好的安全性性能。
举例来说，纤维复合材料的基体中布满了数以万计的独立的纤维，即使当实际应用过程中超负荷时，少数的纤维发生断裂现象也不会对整体产生致命影响，还会有更多未被损坏的纤维来承载超负荷的压力，所以，复合材料的安全性得到了提升。
3.4复合材料电性能提高
在制造复合材料的过程当中，适当的加入一些优质的电性能的基体材料、增强体材料和辅助材料，就可以将复合材料制成导电材料或者绝缘材料，选择性很强。
导电材料可以运用到一些电气设备之中，而绝缘材料则可以应用到冶金和化工之中。
4.复合材料成型工艺的发展趋势
现如今，复合材料已经在多种领域得到了发展。
尤其是航空航天、能源技术、电子工业等领域中，复合材料扮演者不可或缺的角色。
其发展潜力之大，已经受到了国内外的高度重视。
国外的复合材料成型工艺仍领先于国内，其很多复合材料都已到达了实用阶段并且广泛应用，我国就更加应该跟进国外优质的复合材料成型工艺技术，解决现今在碳纤维和芳纶纤维中遇到的问题，发展高性能的树脂基体。
5.总结
复合材料在我国社会被得到了广泛运用，我国虽然起步较晚，但是在不懈努力之下也达到了很大的发展，对我国的航天技术、工业发展起到了至关重要的作用。
相信，随着我国科技的不断发展，复合材料的成型工艺技术也会得到进一步的飞跃。[科]
【参考文献】
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