7复合材料热压罐成型技术解析

SchoolofMaterialsScienceandEngineering《复合材料制备新技术》复合材料热压罐成型技术主讲：梅启林单位：材料学院SchoolofMaterialsScienceandEngineering一、前言热压罐：航空复合材料制品的主要生产设备，具有整体加热系统的大型压力容器。优点：（1）大范围内适应各种材料对加工条件的要求高温环氧175oC，600KPa聚酰亚胺300~400oC，1MPa（2）加压灵活性强，均匀缺点：（1）尺寸、温度、压力要求高，结构复杂，制造成本昂贵小型：D1m，L2m，10万美元，大型：100万美元（2）升温、加压速度慢，温度控制精度小SchoolofMaterialsScienceandEngineering二、预浸料概念纤维浸渍树脂后形成的片状材料。热压罐成型的主要原材料半成品特点铺层设计调整纤维角度、单层厚度、层数设计力学、理化性能组成、质量决定制品性能预浸料的制备（1）湿法：溶液浸渍法（2）干法：热融浸渍法Ws=t/dWs----预浸料单位面积纤维质量（g/cm2)t----丝束纤度（tex，即g/103m)d----预浸料纤维间距（10-3m）SchoolofMaterialsScienceandEngineering预浸料的制备溶液浸渍法（辊筒缠绕法、连续排铺法）（1）辊筒缠绕法特点：间歇性、设备简单、生产效率低、批量小实验室或小批量生产工作原理：一系列变速机构----调节辊筒转动、导丝辊丝杠横向移动速度比----纤维间距工艺参数：纤维状态（单丝根数、总纤度、捻度等----影响浸渍程度和含胶量）胶液浓度（影响含胶量最严重的因素----调节胶液密度、温度来控制）牵引速度高----浸渍时间短，浸渍程度低和含胶量低低----浸渍充分和含胶量高，效率低纤维张力（高----含胶量低，影响外观）SchoolofMaterialsScienceandEngineering预浸料的制备（2）连续排铺法特点：连续性、效率高、适合大规模生产基本过程：若干丝束----整经分丝----浸胶----挤胶----烘干----垫隔离纸----压实----收卷工艺参数：胶液浓度浸渍时间-----影响浸渍程度主要因素牵引速度挤压辊间隙-----控制含胶量关键部件烘干温度、时间----（目的----除去挥发分，初步固化（调节粘性））SchoolofMaterialsScienceandEngineering热融浸渍法制备预浸料特点：不使用溶剂，预浸料挥发分低，降低环境污染和人体危害产品空隙率小，力学性能好外观好，树脂含量控制精度高节省了溶剂成本熔融直接浸渍法胶膜法对树脂的要求：（1）能在成膜温度下形成稳定胶膜（2）具有一定粘性，便于预浸料铺贴（3）熔融时最低粘度不能太高，便于浸渍主要工艺过程（1）均匀稳定树脂膜的制备----关键（2）树脂熔融浸渍纤维（3）预浸料冷却（4）预浸料收卷SchoolofMaterialsScienceandEngineering预浸料的性能外观物理性能（1）单位面积纤维的质量（GB7192-87）（2）树脂含量（GB7192-87）（3）挥发分含量（GB6056-85）（4）粘性（表征预浸料铺覆性和层间粘合性的指标）（5）流动度（一定条件下，预浸料树脂可流出的数量占预浸料质量的百分比，GB5260-85）（6）凝胶时间（GB5259-85）化学性能化学成分（红外光谱GB5416-88）反应热焓（DSC，Q/6S975-91）SchoolofMaterialsScienceandEngineering三、热压罐系统的结构与成型模具热压罐系统的结构(中温低压120oCx0.275MPa-----高温高压760oCx69MPa)（1）压力容器绝热层由内向外:镀铝钢板、陶瓷纤维、压力容器结构层绝热层----防止热量外散，减少能量损失镀铝钢板----防止热辐射损失----防止热气体窜入陶瓷纤维层（2）加热与气体循环系统加热方式：间接气体点火----常用方式热油（联苯400oC，硅油425oC）----可燃---潜在危险蒸汽加热----150oC～180oC-----温度低，使用少电加热----（适用直径小于2米）-----运营成本高气体循环系统（保证温度场的均匀性）最佳气流速度：1～３m/s太高----撕开真空袋太低----温度不均匀SchoolofMaterialsScienceandEngineering三、热压罐系统的结构与成型模具（3）气体加压系统常用压缩气体：空气：0.7～１.0MPa,温度上限120oC----低成本、但助燃,150oC以上使用危险氮气（液氮）：最常用，1.4～１.55MPa----抑制燃烧、易于分散到空气中----成本高二氧化碳（液态）：2.05MPa-----密度大，对人体有害-----不易分散到空气中（4）真空系统最重要的辅助系统水封型真空泵最可靠，油泵易被固化挥发分副产物腐蚀（5）控制系统对固化工艺进行监控----使工艺参数合理化、降低成本计算机控制系统应同时安装微处理控制器，以防计算机控制系统失灵（6）其它辅助系统冷却系统、装卸系统等SchoolofMaterialsScienceandEngineering三、热压罐系统的结构与成型模具成型模具要求：（1）在成型温度和压力下保持适当的性能（2）成本、寿命、精度、强度、质量、机加工性、热膨胀系数、尺寸稳定性、表面处理及热导率等模具材料类别：（1）室温至中温：树脂基复合材料（2）低温至高温：金属材料（3）超高温：陶瓷和石墨材料SchoolofMaterialsScienceandEngineering三、热压罐系统的结构与成型模具铝、钢、殷钢模具良好的表面处理性能、可多次重复使用----应用最广殷钢硬度与钢相似，热膨胀系数比钢和铝更小-----理想模具材料铝：软、热膨胀系数大、但密度小，易搬动，机加工性较殷钢好热膨胀系数（铝—26.2,钢—13.2(C),17.8(NI),铸铁—11.1,殷钢—0.28,金属-陶瓷7.2,聚酰胺—4.68)电成型镍采用电镀工艺将镍沉积到母模(石膏)表面光洁、耐磨、易修补、脱模好，但成本高碳纤维增强环氧复合材料模具热膨胀与复合材料相似表面光洁、轻质、易加工使用温度不能高于其玻璃化温度，耐压低、耐用性、耐划伤性等不及金属SchoolofMaterialsScienceandEngineering三、热压罐系统的结构与成型模具膨胀橡胶模具原理：利用橡胶受热过程的膨胀可控性，提供复合材料固化所需压力作用：强化成型压力或传递压力优点：可塑性成型、膨胀可控、均衡压力等缺点：寿命短、导热性差等石墨及陶瓷模具石墨模具：优点：热膨胀系数低、质轻、易制造、导热性好，使用温度高达2000oC缺点：易脆、重复使用次数小于10次陶瓷模具：适用成型耐高温聚酰亚胺、热塑性树脂基复合材料等SchoolofMaterialsScienceandEngineering四、固化成型工艺流程工艺辅助材料（1）真空袋材料与密封胶条100oC以下----PE薄膜200oC以下----改性尼龙薄膜耐高温聚酰亚胺、热塑性树脂基复合材料成型----耐高温聚酰亚胺薄膜（2）有空或无空隔离薄膜作用：防止粘模PTFE、改性氟塑料薄膜（3）吸胶材料吸收多余树脂，控制、调节纤维体积含量玻璃布、滤纸、各种纤维非织布、200oC以下----多、廉价----涤纶非织造布（4）透气材料疏导真空袋内气体。厚涤纶非织造布，高温200oC用玻璃布（5）脱模布让多余树和挥发分通过并进入吸胶层；防止粘模一般采用0.1mmPTFE玻璃布（6）周边挡条----橡胶SchoolofMaterialsScienceandEngineering四、固化成型工艺流程成型工艺流程模具准备----裁减与铺叠----组合与装袋----固化与出罐脱模----检测----修整----二次成型----装配SchoolofMaterialsScienceandEngineering五、热压罐成型工艺的仿真模拟热压罐固化成型过程中发生的主要物理化学变化：（1）促进树脂流动，确保浸渍充分，和预浸料准确到位（2）纤维网络压实，实现纤维体积含量最大化（3）合适的压力以抑制基体中空隙的形成（4）合适的成型温度保证固化充分成型过程的数值仿真模拟（1）树脂流动（2）纤维变形（3）纤维压实（4）空隙形成（5）固化工艺优化热传导SchoolofMaterialsScienceandEngineering六、热压罐成型技术的应用复合材料制件F-14F-15F-16F-18B-1AV-8BDC-10Demo门方向舵升降舵垂尾平尾副翼扰流板襟翼翼盒机身SchoolofMaterialsScienceandEngineering六、热压罐成型技术的应用复合材料制件DC-1011Demo737Demo727757767LearFan门方向舵升降舵垂尾平尾副翼扰流板襟翼翼盒机身SchoolofMaterialsScienceandEngineering六、热压罐成型技术的应用SchoolofMaterialsScienceandEngineering六、热压罐成型技术的应用SchoolofMaterialsScienceandEngineeringThanksforyourattention！