先进复合材料热压罐成型技术
苏鹏;崔文峰
【摘要】近年来,随着复合材料在航空航天中的广泛应用,其加工制造理论和技术水平在逐步提高.其中,热压罐成型技术是复合材料结构成型中较为成熟的方法,在航空航天产品中广泛应用.但是,由于现代大型飞机中应用的复合材料整体构件轮廓复杂度越来越高,尺寸也越来越大,传统热压罐成型技术已经无法满足制造实际应用需求.因此,为提高制品的质量和工作效率,热压罐成型工艺的改进和优化依然是当前主要的途径.本文根据传统热压罐成型工艺流程和特点,从提高产品质量和效率的角度分析其工艺过程,针对下料环节、温度控制环节、压力控制环节以及模具设计等关键技术,给出现阶段的最新研究进展.
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2016(000)011
【总页数】2页(P165-166)
【关键词】航空航天;复合材料;热压罐成型技术;温度场控制技术
【作者】苏鹏;崔文峰
【作者单位】大连长丰实业总公司,大连 116038;大连长丰实业总公司,大连116038
【正文语种】中文
热压罐成型工艺的工作原理是利用罐内的高温压缩气体产生的压力对复合材料坯料进行加热加压以完成固化成型。

热压罐成型系统是由罐体、冷却系统、真空系统、
压力系统、加热系统、密封系统和控制系统构成。

表1是热压罐各个系统的技术要求，该技术要求的满足可使热压罐罐内压力和温度均匀分布。

热压罐工艺流程：①预浸料下料（裁剪）；②铺叠毛坯；③抽真空预压实（坯料与模具贴合）；④（组装）固化；⑤（降温）脱模；⑥无损检测；⑦切边打磨；⑧称重。

当前，在热压罐抽真空压实环节借助真空袋与模具之间抽真空形成的负压，对复合材料坯料进行加压。

现已经发展成熟的技术有真空袋成型法、压力袋成型法和双真空袋成型法。

其中，真空袋成型法加压不大于0.1MPa，只适用于薄板制作或者蜂窝夹层结构。

缺点是制品外形表面质量精度较差。

压力袋成型法是通过向橡皮囊构成的压力袋（气压室）内注入压缩气体实现对复材坯料的加压，压力可达0.25～0.5MPa，特点是对模具的刚度和强度要求高，制品的机械性能好于真空袋成型法制品。

双真空袋压成型法起源于美国空军，采用湿法环氧预浸料对飞机复合材料结构修补。

它有两套真空系统，适用于挥发分含量较高的树脂体系，如酚醛和聚酰亚胺。

热压罐成型工艺已由最初制备飞机承力较小的构件扩张到垂尾，方向舵和平尾发展到当前的机翼、机身等主承力结构。

综合热压罐的技术要求和工艺特点，热压罐成型工艺的优点有：①热压罐内的温度和压力均匀变化，保证了固化过程制品受热均匀；②使用范围广泛，模具相对比较简单，效率高，适合大面积复杂型面的蒙皮、壁板和机身的成型；③热压罐内的温度、压力几乎能满足所有聚合物基复合材料的成型工艺要求，如低温成型的聚酯基复材、高温高压成型的聚酰亚胺等；④成型工艺稳定可靠。

缺点有：①采用人工铺叠和下料效率低，耗时长，劳动强度大，废料较多；②固化过程中用到的辅助材料价格昂贵。

热压罐成型过程中，具有较大调控和改进空间的工艺有：预浸料下料环节、加热环节、加压环节和模具材料和设计。

2.1 工艺研究进展
热压罐成型工艺的整体成型技术采用共固化/共胶接的方式，大大减少了零件、紧
固件的数目，实现了复合材料从结构设计到制造一体化成型，易于实现翼身融合气动布局，增加机体表面光滑完整程度，避免因钻孔引起的构件加工损伤。

同时，还可减轻飞机结构的质量，降低制造成本。

其中，最为关键的是各个构件之间连接区域的制造质量。

2.2 热压罐温度场研究进展
王永贵等[2-3]对框架式模具温度变化规律进行了模拟和实验测试，发现升温时模
具上高温区在进风端处，低温区在模具中间，而降温时得到的结论和升温时得到的结论相反。

所以，温度的不均匀是复合材料产生早期破坏的主要原因，也是影响复合材料构件质量的关键因素。

Hakan Ucan[4]提出一种“Masterbox”作为热压
罐工艺在线控制系统，可借助有效的传感器和调节器，实现碳纤维增强树脂基复合材料固化工艺的智能优化。

2016年贾云超等[5]利用CATIA软件建立了热压罐模型，并用FLUENT软件进行了温度场的模拟，运用控制变量法发现：①气流流速
增加，可减小工装表面的温差；②升温速率的增加，影响制品质量；③低比热容、高热导率的工装材料，有利于提高制品质量。

2.3 热压罐加压环节的研究进展
热压罐工艺中，加压点的确定直接影响复合材料的性能。

包建文等[6]因热压罐成
型工艺加压点的不确定这一特点，采用凝胶时间理论对某种型号的复合材料运用两种工艺进行成型，发现当反应程度参数小于凝胶参数时，加压成型的复材内部缺陷减低。

因此，利用理论可准确估算出树脂基复材的固化反应程度，从而确定加压点，提高产品质量。

刘小龙等[7]利用Flexiforce薄膜压力传感器建立密实压力在线测
试系统。

该系统获得树脂基复合材料成型过程中密实压力数据，为进一步优化复合材料成型工艺参数和模具方案提供重要依据。

李艳霞等[8]提到，压力测量胶片可
用于定性分析模具传压效率。

2.4 热压罐模具的研究进展
模具是目前热压罐成型工艺中的重要组成部分。

模具要和材料一起放入高温高压的罐内进行固化，这对模具的性能要求极高，因此模具的改进将大大提高构件的质量。

一方面模具的制造原材料有很多，如殷钢（承受温度540℃）、单晶石墨（承受
温度430℃）、钢、陶瓷等。

贾云超等[5]对热压罐温度场建模时提出，低比热容、高热导率的工装材料有利于提高制品质量。

另一方面，由于某些模具的结构复杂，需要利用软件数值模拟，因此采用数字化设计和加工将极大减少模具制造的时间，并且能优化模具，从而提高热压罐成型工艺制品的质量。

岳广全等[9]指出：①模
具的热传导性能不佳，会使得构件变形；②模具的膨胀系数对尺寸较大的构件影响较多；③模具的结构形式影响构件表面温度的分布。

韩培培等[10]利用CATIA软
件对复合材料U型梁成型模具及模具材料进行选择，并对材料的热膨胀系数、结
构形式、回弹角以及脱模等因素进行了优化设计。

目前，模具数字化制造可采用的方法主要有CAPP、数控加工和数字化检测。

2.5 综合工艺的发展
预浸料下料和铺叠大多采用人工，但人工操做效率低，产生的废料多，工耗长，劳动强度大。

自动铺带技术（ATL）是通过数控技术将有隔离背衬纸的单向预浸料在铺带头的作用下，完成预浸带的剪裁、定位、铺叠和辊压，进而直接铺叠到模具表面的数字化技术。

该技术可减少人工操作的劳动力成本和原材料的浪费。

但是，国内该项技术应用并不广泛，且维护费用昂贵，设备复杂。

因此，对于大型连续生产企业可选择该技术；对于科研或者小型企业，可结合人工和自动铺带技术的特点进行创新。

热压罐成型工艺是航空领域内复合材料，尤其是树脂基复合材料构件成型应用最广泛也最成熟工艺之一。

随着理论知识的不断补充，新技术的竞争，市场的需求，迫
使传统工艺更进一步发展。

热压罐工艺流程中升温环节、加压环节、预浸料下料铺叠和模具，都可调控优化。

通过模拟热压罐成型工艺的温度场、压力检测以及模具的性能检测，提高复合材料构件的质量和工作效率，具有重要意义。

热压罐成型工艺的升级优化，势必成为一个重要的研究方向。

【相关文献】
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[3]王永贵，梁宪珠.热压罐工艺的成型压力对框架式模具温度场的影响[J].玻璃钢/复合材料，2009，（4）：70-73，76.
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