2-热压罐成型和VARI成型工艺

潘利剑航空复合材料结构制造基本原理第二课热压罐成型和VARI成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理热压罐成型真空辅助成型内容提要航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理热压罐成型航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理热压罐成型工艺过程热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理热压罐成型工艺第一步：预浸料制备（纤维浸润树脂）航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理手工下料自动下料：拖刀、高频振荡刀、超声刀第二步：预浸料裁剪（根据结构几何尺寸）热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理第三步：预浸料铺放手工铺放：适合小型复杂结构，工程中需激光投影定位，过程中需要预压实自动铺放：自动铺带、自动铺丝适合大型相对简单结构热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理第三步：预浸料铺放热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理自动铺带技术ATL优点适合大型结构件铺层大幅度节省时间、劳力，速度较手工提高10倍节省原材料，废品率仅3-5%(手工25-30%)纤维铺贴角度更准，重复性好应用实例A380中央翼盒、尾翼、襟翼，B787机翼蒙皮ATL:AutomatedTapeLaying第三步：预浸料铺放热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理自动铺丝技术AFP优点(与ATL相比）适合于大曲面的制件应用实例B787机身，A380后机身非承压部分AFP:AutomatedFiberPlacement自动铺丝视频第三步：预浸料铺放热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理真空袋透气毡有孔隔离膜1吸胶毡有孔隔离膜2脱模布预浸料脱模布脱模剂模具抽真空密封胶带第四步：封装热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理•真空袋：提供真空环境•透气毡：保持真空袋内均一的真空压力（分压）•有孔隔离膜1：防止树脂流动至透气毡，但是需要小分子气体能够通过至透气毡•吸胶毡：吸收被挤出而过剩的树脂•有孔隔离膜2：让树脂和小分子气体能够通过•脱模布：让复合材料制品表面具有布纹便于后续粘接或喷漆工序，同时脱模布应能够从制件表面剥离•脱模剂：防止树脂粘住模具表面热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理放辅料、打真空袋热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理热压罐固化工艺的设定，主要包括温度，压力，时间，真空度，升温速率等参数设定，不同树脂体系，固化工艺不同真空压力外加压力温度时间第五步：热压罐内固化成型树脂粘度变化热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理用于制造B787机身筒体的热压罐(23.2×9.1米)热压罐成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理热压罐固化用成型模具选材原则足够的刚度、强度以保证不变形良好的热传导性和热稳定性与构件相匹配的热膨胀系数易于成型和加工，低成本材料特点铝导热性和加工工艺性好，但热膨胀系数大，并且硬度低，易受损伤钢刚性大，使用温度高，但升温速率慢。高温成型大型制件时需考虑热膨胀碳纤维复合材料热膨胀系数与所成型的复合材料构件一致，刚度大，但材料成本高，耐温低，有吸湿问题Invar钢热膨胀系数低，使用温度高，但价格昂贵，升温速率低航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理热压罐固化典型缺陷分层由于层间应力或制造缺陷引起的层与层之间的分离，即层间的脱胶或开裂。控制方式设计和工艺上减小残余应力提高树脂韧性分层的显微照片航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理热压罐固化典型缺陷变形复合材料制品与设计标准不符，外形曲率等参量发生变化的一种缺陷形式控制方式铺层设计(角度、比例、顺序)工艺优化(固化温度、降温速度)模具种类(材料类型、结构形式)强迫矫正(加强筋、施加应力)航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理热压罐固化典型缺陷孔隙复合材料成型过程中形成的微观小孔气孔孔隙长大到一定程度，成宏观状态出现的一种缺陷形式孔隙气孔航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理热压罐固化典型缺陷脱粘两层复合材料胶接界面之间发生大面积的脱开现象富脂与贫胶复合材料制件中部分区域树脂含量过高，称为富脂；部分区域树脂含量过低，称为贫胶。夹杂制造过程中无意间带进制件中的杂质，如颗粒、碎片、膜片等航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理整体化成型技术共固化(Co-curing)两个或两个以上的零件经一次固化成型而制成一个整体制件的工艺方法二次胶接(SecondaryBonding)两个或多个预固化的复合材料零件通过胶接而连在一起，其间仅有的化学或热的反应是胶膜的固化（Boeing定义)共胶接(Co-bonding)把一个或多个已经固化成型而另一个或多个尚未固化的零件通过胶粘剂(一般为胶膜）在一次固化中固化并胶接成一个整体制件的工艺方法，是共固化与二次胶接的组合。航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理整体化成型技术优点减少零件数目和连接件数目易于实现翼身融合体布局增加机体表面光滑完整程度避免钻孔，减少构件加工损伤A340垂直安定面：零件数2000件100件A310、A330垂直安定面：零件数2000件20件航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理平尾工艺方案-整体共固化整体化成型实例航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理平尾外伸盒端工艺方案整体化成型实例航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理整体化成型技术风险成型：大件报废，风险增大模具：大而复杂，工装成本上升检测：大型件的无损检测材料：胶粘剂，特殊材料需要在成型与装配成本之间进行平衡航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理真空树脂注入成型特点：•衍生自RTM工艺•基本特点与RTM相同•树脂流动由真空压力驱动(与RTM不同)•仅需半面模具，另一面为真空袋•制品一面光滑•低成本工装设备•模具通常需要加热以固化树脂•生产周期较长•机械化，自动化程度低•制品力学性能较高，缺陷少•适合制造大型，超大型部件真空辅助工艺液体成型工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理大型，超大型壳类部件液体成型工艺真空辅助工艺航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理脱模修整封装材料铺放导入树脂喷涂胶衣配树脂模具清理，脱模剂的涂抹纤维织物，脱模布，导流网，导流管和真空管密封胶带，真空袋连接树脂收集器和真空泵保压，检查气密性脱泡按固化工艺固化1.2VARI成型工艺流程准备模具抽真空航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理2.1VARI工艺对树脂要求1黏度低，粘度范围：0.1-0.3Pa.s;2足够长时间内黏度不变，有利于浸透、排气;3可在较低温度下完全固化;4固化时无需额外压力，只需真空压力;5具有良好的力学性能，满足结构使用要求;6具有较高的玻璃化转变温度，满足耐热要求。航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理2.2VARI工艺树脂种类聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂等。成本较低，强度和耐热性较差，主要应用于船舶领域。性能相对较高，主要应用于航空航天领域，风机叶片也大多采用环氧树脂。航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理2.3VARI树脂低粘度平台（工艺窗口）预报树脂粘度-温度曲线树脂粘度-时间曲线对同一种树脂，通常二者不可兼得VARI树脂两个重要工艺参数：注胶温度，操作时间根据具体结构，选择合适的注胶温度，同时满足粘度和工艺操作时间要求VARI树脂要求：粘度低，操作时间长航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理最佳交联固化温度范围起始固化温度峰值温度升温速率0℃/min起始固化温度（凝胶温度）升温速率0℃/min峰值温度（固化温度）2.4树脂固化特性不同升温速率下树脂体系的DSC分析外推法求升温速率为0℃/min固化起始温度和峰值温度树脂固化温度航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理2.4树脂固化特性-50050100150200250300350400△Ht/min等温DSC扫描固化时间航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理2.5NCF织物NCF（non-crimpfabrics）织物是利用先进的经编技术将连续的长纤维经多层平直铺放并进行Z向缝合而形成的无卷曲的定向结构织物。NCF织物普通机织物航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理2.5NCF织物（1）更好的拉伸性能；（3）更高的损伤容限；与普通织物结构上的差别：NCF织物的纱线是伸直而相互平行的，而普通织物的线是卷曲的。NCF织物为多层结构，目前最多可达八层，而普通织物一般只有两层。NCF织物各层之间用缝线线缝合，纱线不容易移动，而普通织物的纱线容易滑动。与普通织物性能上的差别（2）更高的抗疲劳性能；（4）更好的浸润性，更高的工作效率。航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理3.1VARI成型的主要问题出现干斑、干区；（局部渗透率变化、流道效应等）夹杂气泡；（漏气、树脂脱泡不干净，小分子挥发等）厚度或纤维体积含量不均匀；（压力梯度等）1432纤维体积含量低。（固化压力低，不超过一个大气压力等）航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理1采用粘度低、力学性能好的树脂;2树脂粘度应在0.1~0.3Pa·s范围内，便于流动和渗透;3足够长时间内树脂粘度不超出0.3Pa·s;4树脂对纤维浸润角小于8°;5足够的真空度，真空度不低于-97KPa;6选择合适的导流介质，利于树脂流动和渗透;7保证良好的密封，防止空气进入体系而产生气泡;8合理的流道设计，避免缺陷的产生。3.2VARI成型的技术要求航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理4.1VARI成型厚度影响因素123织物所受的净压力织物的压缩特性织物与树脂的相互作用VARI成型厚度航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理crnPPP4.2VARI成型压力分析为总压力（大气压力，且保持不变）树脂压力预成型体所受的净压力航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理树脂吸注前树脂吸注过程中树脂吸注完织物处于干态，净压力为大力树脂浸入后，树脂承担一部分压力，织物净压力减小树脂管关闭，树脂压力减小，织物净压力增大4.2VARI成型压力分析航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理4.3VARI成型厚度监测VARI成型厚度监测装置涡流传感器控制与数据采集系统航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理厚度监测结果第一阶段：树脂吸注，织物厚度迅速增大第二阶段持续注胶，厚度基本不变化第三阶段：注胶结束，关闭树脂管，厚度迅速减小4.3VARI成型厚度监测航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理流道设计最VARI工艺的主要部分之一，包括树脂流道和真空管路设计。合理的流道设计避免树脂发生干涉以及制件干斑的形成缩短树脂渗透时间5.1VARI成型的流道设计航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理干斑（树脂浸渍不充分的区域）干区（树脂完全未浸渍的区域）流道设计不合理，容易形成干班和干区等严重缺陷！5.1VARI成型的流道设计航空复合材料结构制造基本原理航空复合材料结构制造基本原理为保持树脂凝胶前模腔内的持续真空度，需要连续不断抽真空排出模腔内的气体，由于树脂粘度相对较低，如果真空通道设置不合理，抽气的同时容易将大量