《復(fù)合材料制備新技術(shù)》

復(fù)合材料熱壓罐成型技術(shù)

主講：梅啟林單位：材料學院《復(fù)合材料制備新技術(shù)》

復(fù)合材料熱壓罐成型技術(shù)1一、前言熱壓罐：航空復(fù)合材料制品的主要生產(chǎn)設(shè)備，具有整體加熱系統(tǒng)的大型壓力容器。優(yōu)點：（1）大范圍內(nèi)適應(yīng)各種材料對加工條件的要求高溫環(huán)氧175oC，600KPa聚酰亞胺300~400oC，1MPa（2）加壓靈活性強，均勻缺點：（1）尺寸、溫度、壓力要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本昂貴小型：D1m，L2m，10萬美元，大型：100萬美元（2）升溫、加壓速度慢，溫度控制精度小一、前言熱壓罐：二、預(yù)浸料概念

纖維浸漬樹脂后形成的片狀材料。熱壓罐成型的主要原材料半成品特點鋪層設(shè)計調(diào)整纖維角度、單層厚度、層數(shù)設(shè)計力學、理化性能組成、質(zhì)量決定制品性能預(yù)浸料的制備（1）濕法：溶液浸漬法（2）干法：熱融浸漬法Ws=t/dWs----預(yù)浸料單位面積纖維質(zhì)量（g/cm2)t----絲束纖度（tex，即g/103m)d----預(yù)浸料纖維間距（10-3m）二、預(yù)浸料概念預(yù)浸料的制備溶液浸漬法（輥筒纏繞法、連續(xù)排鋪法）（1）輥筒纏繞法特點：

間歇性、設(shè)備簡單、生產(chǎn)效率低、批量小實驗室或小批量生產(chǎn)

工作原理：

一系列變速機構(gòu)----調(diào)節(jié)輥筒轉(zhuǎn)動、導(dǎo)絲輥絲杠橫向移動速度比----纖維間距工藝參數(shù)：

纖維狀態(tài)（單絲根數(shù)、總纖度、捻度等----影響浸漬程度和含膠量）膠液濃度（影響含膠量最嚴重的因素----調(diào)節(jié)膠液密度、溫度來控制）牽引速度高----浸漬時間短，浸漬程度低和含膠量低

低----浸漬充分和含膠量高，效率低纖維張力（高----含膠量低，影響外觀）預(yù)浸料的制備溶液浸漬法（輥筒纏繞法、連續(xù)排鋪法）預(yù)浸料的制備（2）連續(xù)排鋪法特點：

連續(xù)性、效率高、適合大規(guī)模生產(chǎn)基本過程：

若干絲束----整經(jīng)分絲----浸膠----擠膠----烘干----墊隔離紙----壓實----收卷

工藝參數(shù)：膠液濃度浸漬時間-----影響浸漬程度主要因素牽引速度擠壓輥間隙-----控制含膠量關(guān)鍵部件烘干溫度、時間----（目的----除去揮發(fā)分，初步固化（調(diào)節(jié)粘性））預(yù)浸料的制備（2）連續(xù)排鋪法熱融浸漬法制備預(yù)浸料特點：不使用溶劑，預(yù)浸料揮發(fā)分低，降低環(huán)境污染和人體危害產(chǎn)品空隙率小，力學性能好外觀好，樹脂含量控制精度高節(jié)省了溶劑成本熔融直接浸漬法膠膜法對樹脂的要求：（1）能在成膜溫度下形成穩(wěn)定膠膜（2）具有一定粘性，便于預(yù)浸料鋪貼（3）熔融時最低粘度不能太高，便于浸漬主要工藝過程（1）均勻穩(wěn)定樹脂膜的制備----關(guān)鍵（2）樹脂熔融浸漬纖維（3）預(yù)浸料冷卻（4）預(yù)浸料收卷熱融浸漬法制備預(yù)浸料特點：預(yù)浸料的性能外觀物理性能（1）單位面積纖維的質(zhì)量（GB7192-87）（2）樹脂含量（GB7192-87）（3）揮發(fā)分含量（GB6056-85）（4）粘性（表征預(yù)浸料鋪覆性和層間粘合性的指標）（5）流動度（一定條件下，預(yù)浸料樹脂可流出的數(shù)量占預(yù)浸料質(zhì)量的百分比，GB5260-85）（6）凝膠時間（GB5259-85）化學性能化學成分（紅外光譜GB5416-88）反應(yīng)熱焓（DSC，Q/6S975-91）預(yù)浸料的性能外觀三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

(中溫低壓120oCx0.275MPa-----高溫高壓760oCx69MPa)（1）壓力容器

絕熱層由內(nèi)向外:鍍鋁鋼板、陶瓷纖維、壓力容器結(jié)構(gòu)層絕熱層----防止熱量外散，減少能量損失鍍鋁鋼板----防止熱輻射損失----防止熱氣體竄入陶瓷纖維層（2）加熱與氣體循環(huán)系統(tǒng)加熱方式：

間接氣體點火----常用方式熱油（聯(lián)苯400oC，硅油425oC）----可燃---潛在危險蒸汽加熱----150oC～180oC-----溫度低，使用少電加熱----（適用直徑小于2米）-----運營成本高氣體循環(huán)系統(tǒng)（保證溫度場的均勻性）最佳氣流速度：1～３m/s太高----撕開真空袋太低----溫度不均勻三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具（3）氣體加壓系統(tǒng)常用壓縮氣體：空氣：0.7～１.0MPa,溫度上限120oC----低成本、但助燃,150oC以上使用危險氮氣（液氮）：最常用，1.4～１.55MPa----抑制燃燒、易于分散到空氣中----成本高二氧化碳（液態(tài)）：2.05MPa-----密度大，對人體有害-----不易分散到空氣中（4）真空系統(tǒng)最重要的輔助系統(tǒng)水封型真空泵最可靠，油泵易被固化揮發(fā)分副產(chǎn)物腐蝕（5）控制系統(tǒng)對固化工藝進行監(jiān)控----使工藝參數(shù)合理化、降低成本計算機控制系統(tǒng)應(yīng)同時安裝微處理控制器，以防計算機控制系統(tǒng)失靈（6）其它輔助系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)、裝卸系統(tǒng)等三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具（3）氣體加壓系統(tǒng)三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具成型模具要求：（1）在成型溫度和壓力下保持適當?shù)男阅埽?）成本、壽命、精度、強度、質(zhì)量、機加工性、熱膨脹系數(shù)、尺寸穩(wěn)定性、表面處理及熱導(dǎo)率等模具材料類別：（1）室溫至中溫：樹脂基復(fù)合材料（2）低溫至高溫：金屬材料（3）超高溫：陶瓷和石墨材料三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具成型模具三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具鋁、鋼、殷鋼模具良好的表面處理性能、可多次重復(fù)使用----應(yīng)用最廣殷鋼硬度與鋼相似，熱膨脹系數(shù)比鋼和鋁更小-----理想模具材料鋁：軟、熱膨脹系數(shù)大、但密度小，易搬動，機加工性較殷鋼好熱膨脹系數(shù)（鋁—26.2,鋼—13.2(C),17.8(NI),鑄鐵—11.1,殷鋼—0.28,金屬-陶瓷7.2,聚酰胺—4.68)電成型鎳

采用電鍍工藝將鎳沉積到母模(石膏)表面光潔、耐磨、易修補、脫模好，但成本高碳纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料模具熱膨脹與復(fù)合材料相似表面光潔、輕質(zhì)、易加工使用溫度不能高于其玻璃化溫度，耐壓低、耐用性、耐劃傷性等不及金屬三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具鋁、鋼、殷鋼模具三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具膨脹橡膠模具原理：利用橡膠受熱過程的膨脹可控性，提供復(fù)合材料固化所需壓力作用：強化成型壓力或傳遞壓力優(yōu)點：可塑性成型、膨脹可控、均衡壓力等缺點：壽命短、導(dǎo)熱性差等石墨及陶瓷模具石墨模具：優(yōu)點：熱膨脹系數(shù)低、質(zhì)輕、易制造、導(dǎo)熱性好，使用溫度高達2000oC缺點：易脆、重復(fù)使用次數(shù)小于10次陶瓷模具：適用成型耐高溫聚酰亞胺、熱塑性樹脂基復(fù)合材料等三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具膨脹橡膠模具四、固化成型工藝流程工藝輔助材料（1）真空袋材料與密封膠條100oC以下----PE薄膜200oC以下----改性尼龍薄膜耐高溫聚酰亞胺、熱塑性樹脂基復(fù)合材料成型----耐高溫聚酰亞胺薄膜（2）有空或無空隔離薄膜作用：防止粘模

PTFE、改性氟塑料薄膜（3）吸膠材料吸收多余樹脂，控制、調(diào)節(jié)纖維體積含量玻璃布、濾紙、各種纖維非織布、200oC以下----多、廉價----滌綸非織造布（4）透氣材料疏導(dǎo)真空袋內(nèi)氣體。厚滌綸非織造布，高溫200oC用玻璃布（5）脫模布讓多余樹和揮發(fā)分通過并進入吸膠層；防止粘模一般采用0.1mmPTFE玻璃布（6）周邊擋條----橡膠四、固化成型工藝流程工藝輔助材料四、固化成型工藝流程成型工藝流程模具準備----裁減與鋪疊----組合與裝袋----固化與出罐脫模----檢測----修整----二次成型----裝配四、固化成型工藝流程成型工藝流程五、熱壓罐成型工藝的仿真模擬熱壓罐固化成型過程中發(fā)生的主要物理化學變化：（1）促進樹脂流動，確保浸漬充分，和預(yù)浸料準確到位（2）纖維網(wǎng)絡(luò)壓實，實現(xiàn)纖維體積含量最大化（3）合適的壓力以抑制基體中空隙的形成（4）合適的成型溫度保證固化充分成型過程的數(shù)值仿真模擬（1）樹脂流動（2）纖維變形（3）纖維壓實（4）空隙形成（5）固化工藝優(yōu)化熱傳導(dǎo)五、熱壓罐成型工藝的仿真模擬熱壓罐固化成型過程中發(fā)生的主要物六、熱壓罐成型技術(shù)的應(yīng)用復(fù)合材料制件F-14F-15F-16F-18B-1AV-8BDC-10Demo門方向舵升降舵垂尾平尾副翼擾流板襟翼翼盒機身六、熱壓罐成型技術(shù)的應(yīng)用復(fù)合材料制件F-14F-15F-16六、熱壓罐成型技術(shù)的應(yīng)用復(fù)合材料制件DC-1011Demo737Demo727757767LearFan門方向舵升降舵垂尾平尾副翼擾流板襟翼翼盒機身六、熱壓罐成型技術(shù)的應(yīng)用復(fù)合材料制件DC-10117377六、熱壓罐成型技術(shù)的應(yīng)用六、熱壓罐成型技術(shù)的應(yīng)用六、熱壓罐成型技術(shù)的應(yīng)用六、熱壓罐成型技術(shù)的應(yīng)用Thanksforyourattention！Thanksforyourattention！

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主講：梅啟林單位：材料學院《復(fù)合材料制備新技術(shù)》

復(fù)合材料熱壓罐成型技術(shù)21一、前言熱壓罐：航空復(fù)合材料制品的主要生產(chǎn)設(shè)備，具有整體加熱系統(tǒng)的大型壓力容器。優(yōu)點：（1）大范圍內(nèi)適應(yīng)各種材料對加工條件的要求高溫環(huán)氧175oC，600KPa聚酰亞胺300~400oC，1MPa（2）加壓靈活性強，均勻缺點：（1）尺寸、溫度、壓力要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本昂貴小型：D1m，L2m，10萬美元，大型：100萬美元（2）升溫、加壓速度慢，溫度控制精度小一、前言熱壓罐：二、預(yù)浸料概念

纖維浸漬樹脂后形成的片狀材料。熱壓罐成型的主要原材料半成品特點鋪層設(shè)計調(diào)整纖維角度、單層厚度、層數(shù)設(shè)計力學、理化性能組成、質(zhì)量決定制品性能預(yù)浸料的制備（1）濕法：溶液浸漬法（2）干法：熱融浸漬法Ws=t/dWs----預(yù)浸料單位面積纖維質(zhì)量（g/cm2)t----絲束纖度（tex，即g/103m)d----預(yù)浸料纖維間距（10-3m）二、預(yù)浸料概念預(yù)浸料的制備溶液浸漬法（輥筒纏繞法、連續(xù)排鋪法）（1）輥筒纏繞法特點：

間歇性、設(shè)備簡單、生產(chǎn)效率低、批量小實驗室或小批量生產(chǎn)

工作原理：

一系列變速機構(gòu)----調(diào)節(jié)輥筒轉(zhuǎn)動、導(dǎo)絲輥絲杠橫向移動速度比----纖維間距工藝參數(shù)：

纖維狀態(tài)（單絲根數(shù)、總纖度、捻度等----影響浸漬程度和含膠量）膠液濃度（影響含膠量最嚴重的因素----調(diào)節(jié)膠液密度、溫度來控制）牽引速度高----浸漬時間短，浸漬程度低和含膠量低

低----浸漬充分和含膠量高，效率低纖維張力（高----含膠量低，影響外觀）預(yù)浸料的制備溶液浸漬法（輥筒纏繞法、連續(xù)排鋪法）預(yù)浸料的制備（2）連續(xù)排鋪法特點：

連續(xù)性、效率高、適合大規(guī)模生產(chǎn)基本過程：

若干絲束----整經(jīng)分絲----浸膠----擠膠----烘干----墊隔離紙----壓實----收卷

工藝參數(shù)：膠液濃度浸漬時間-----影響浸漬程度主要因素牽引速度擠壓輥間隙-----控制含膠量關(guān)鍵部件烘干溫度、時間----（目的----除去揮發(fā)分，初步固化（調(diào)節(jié)粘性））預(yù)浸料的制備（2）連續(xù)排鋪法熱融浸漬法制備預(yù)浸料特點：不使用溶劑，預(yù)浸料揮發(fā)分低，降低環(huán)境污染和人體危害產(chǎn)品空隙率小，力學性能好外觀好，樹脂含量控制精度高節(jié)省了溶劑成本熔融直接浸漬法膠膜法對樹脂的要求：（1）能在成膜溫度下形成穩(wěn)定膠膜（2）具有一定粘性，便于預(yù)浸料鋪貼（3）熔融時最低粘度不能太高，便于浸漬主要工藝過程（1）均勻穩(wěn)定樹脂膜的制備----關(guān)鍵（2）樹脂熔融浸漬纖維（3）預(yù)浸料冷卻（4）預(yù)浸料收卷熱融浸漬法制備預(yù)浸料特點：預(yù)浸料的性能外觀物理性能（1）單位面積纖維的質(zhì)量（GB7192-87）（2）樹脂含量（GB7192-87）（3）揮發(fā)分含量（GB6056-85）（4）粘性（表征預(yù)浸料鋪覆性和層間粘合性的指標）（5）流動度（一定條件下，預(yù)浸料樹脂可流出的數(shù)量占預(yù)浸料質(zhì)量的百分比，GB5260-85）（6）凝膠時間（GB5259-85）化學性能化學成分（紅外光譜GB5416-88）反應(yīng)熱焓（DSC，Q/6S975-91）預(yù)浸料的性能外觀三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

(中溫低壓120oCx0.275MPa-----高溫高壓760oCx69MPa)（1）壓力容器

絕熱層由內(nèi)向外:鍍鋁鋼板、陶瓷纖維、壓力容器結(jié)構(gòu)層絕熱層----防止熱量外散，減少能量損失鍍鋁鋼板----防止熱輻射損失----防止熱氣體竄入陶瓷纖維層（2）加熱與氣體循環(huán)系統(tǒng)加熱方式：

間接氣體點火----常用方式熱油（聯(lián)苯400oC，硅油425oC）----可燃---潛在危險蒸汽加熱----150oC～180oC-----溫度低，使用少電加熱----（適用直徑小于2米）-----運營成本高氣體循環(huán)系統(tǒng)（保證溫度場的均勻性）最佳氣流速度：1～３m/s太高----撕開真空袋太低----溫度不均勻三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具（3）氣體加壓系統(tǒng)常用壓縮氣體：空氣：0.7～１.0MPa,溫度上限120oC----低成本、但助燃,150oC以上使用危險氮氣（液氮）：最常用，1.4～１.55MPa----抑制燃燒、易于分散到空氣中----成本高二氧化碳（液態(tài)）：2.05MPa-----密度大，對人體有害-----不易分散到空氣中（4）真空系統(tǒng)最重要的輔助系統(tǒng)水封型真空泵最可靠，油泵易被固化揮發(fā)分副產(chǎn)物腐蝕（5）控制系統(tǒng)對固化工藝進行監(jiān)控----使工藝參數(shù)合理化、降低成本計算機控制系統(tǒng)應(yīng)同時安裝微處理控制器，以防計算機控制系統(tǒng)失靈（6）其它輔助系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)、裝卸系統(tǒng)等三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具（3）氣體加壓系統(tǒng)三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具成型模具要求：（1）在成型溫度和壓力下保持適當?shù)男阅埽?）成本、壽命、精度、強度、質(zhì)量、機加工性、熱膨脹系數(shù)、尺寸穩(wěn)定性、表面處理及熱導(dǎo)率等模具材料類別：（1）室溫至中溫：樹脂基復(fù)合材料（2）低溫至高溫：金屬材料（3）超高溫：陶瓷和石墨材料三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具成型模具三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具鋁、鋼、殷鋼模具良好的表面處理性能、可多次重復(fù)使用----應(yīng)用最廣殷鋼硬度與鋼相似，熱膨脹系數(shù)比鋼和鋁更小-----理想模具材料鋁：軟、熱膨脹系數(shù)大、但密度小，易搬動，機加工性較殷鋼好熱膨脹系數(shù)（鋁—26.2,鋼—13.2(C),17.8(NI),鑄鐵—11.1,殷鋼—0.28,金屬-陶瓷7.2,聚酰胺—4.68)電成型鎳

采用電鍍工藝將鎳沉積到母模(石膏)表面光潔、耐磨、易修補、脫模好，但成本高碳纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料模具熱膨脹與復(fù)合材料相似表面光潔、輕質(zhì)、易加工使用溫度不能高于其玻璃化溫度，耐壓低、耐用性、耐劃傷性等不及金屬三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具鋁、鋼、殷鋼模具三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具膨脹橡膠模具原理：利用橡膠受熱過程的膨脹可控性，提供復(fù)合材料固化所需壓力作用：強化成型壓力或傳遞壓力優(yōu)點：可塑性成型、膨脹可控、均衡壓力等缺點：壽命短、導(dǎo)熱性差等石墨及陶瓷模具石墨模具：優(yōu)點：熱膨脹系數(shù)低、質(zhì)輕、易制造、導(dǎo)熱性好，使用溫度高達2000oC缺點：易脆、重復(fù)使用次數(shù)小于10次陶瓷模具：適用成型耐高溫聚酰亞胺、熱塑性樹脂基復(fù)合材料等三、熱壓罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成型模具膨脹橡膠模具四、固化成型工藝流程工藝輔助材料（1）真空袋材料與密封膠條100oC以下----PE薄膜200oC以下----改性尼龍薄膜耐高溫聚酰亞胺、熱塑性樹脂基復(fù)合材料成型----耐高溫聚酰亞胺薄膜（2）有空或無空隔離薄膜作用：防止粘模

PTFE、改性氟塑料薄膜（3）吸膠材料吸收多余樹脂，控制、調(diào)節(jié)纖維體積含量玻璃布、濾紙、各種纖維非