复合材料热压罐成型工艺实验教学探讨

李艳霞, 顾轶卓, 李 敏

(北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京市材料科学与工程实验教学示范中心，北京 100191)



复合材料热压罐成型工艺实验教学探讨

李艳霞, 顾轶卓, 李 敏

(北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京市材料科学与工程实验教学示范中心，北京 100191)

通过复合材料热压罐成型工艺实验，让学生实践原材料—工艺—性能关系的复合材料制备全过程，掌握湿法制备预浸料与热压罐成型工艺的基本实验技能，同时学生自主设计实验方案，激发其综合运用课堂理论知识。实验课程内容对于学生理解复合材料热压罐成型工艺的原理和复合材料的复合效应、性能的可设计性、构件与材料同步性等具有重要意义。

树脂基复合材料； 热压罐工艺； 实验教学

0 引 言

实验教学是增强学生感性认识、巩固和拓展知识与技能、提高分析和解决问题能力的重要教学环节，对于培养学生创新精神、实践能力和综合素质具有重要的作用[1]。近年来，实验教学逐渐由以往课堂理论教学的“辅助”地位向高素质创新型人才培养过程中“贯穿始终、不可或缺的重要组成部分”转变[2]，并且实验类型由传统验证性实验向自主型、研究型实验课程转变，更加强调学生的主导作用[3-6]。

复合材料由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质复合而成的一种新的固体材料，先进树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、高性能连续纤维为增强材料、通过复合工艺制备而成，并具有明显优于原组分性能的一类新型材料。复合效应、性能的可设计性、多功能兼容性和材料与构件制造的同步性是先进树脂基复合材料不同于传统材料的显著特点[7-8]，而设计、材料、工艺、性能四者之间密切相关性，使得复合材料具有明显的多学科交叉特点[9]。为满足我国各行业对复合材料专业学生素质的要求，培养基础知识深厚、工程实践能力扎实的创新型复合材料工程人员，武汉理工大学材料学院针对复合材料本科专业开设综合性实验，课程涵盖复合材料的组分(基体材料与增强材料)、成型工艺、成型条件与性能之间相互关系，体现“组分”、“结构设计”、“材料工艺”和“性能”四项材料科学研究的核心[10]。天津工业大学在本科专业教学中，开设复合材料专业实验课程，以复合材料原材料、加工制备、性能检测等实验基本技能和应用技术培养为核心，引导学生自主实验，强调实验教学，不仅要有利于学生对科学知识的学习，同时提高学习兴趣、培养实验能力、增强探究意识和促进创新能力培养[11]。北京航空航天大学材料科学与工程学院教学实验中心以材料科学与工程“成分/组织”-“合成/制备工艺”-“性能”-“使役性能”四要素及其相互关系为综合实验教学改革的基本设计理念[12-13]，创建材料大类专业基础综合实验教学和专业特色实验教学相呼应的实验课程体系,先进树脂基复合材料制造特色实验是五大专业特色课程之一。

热压罐成型一直是航空航天领域生产高性能复合材料构件最重要的制备方法，占整个复合材料产量的80%以上。复合材料热压罐成型工艺实验课使学生参与从原材料、工艺制备到性能测试的全过程，具体包括树脂胶液配置、预浸料制备与基本特性测试、预浸料裁剪铺贴封装、复合材料成型，使学生了解预浸料含胶量控制方法、预浸料晾置储存的方法和基本要求，了解排布机、热压罐等设备的组成、用途和使用方法以及一般注意事项，掌握预浸料裁剪、铺贴操作技能，熟悉先进复合材料热压罐工艺的各环节和操作方法，通过学生分组实验与自主设计各实验环节的可调控因素，综合分析实验数据，理解复合材料成型工艺原理和工艺控制理论。同时，北京市聚合物基复合材料高技术实验室热压罐设备有效集成了科研成果，可以对罐内气氛温度、压力、真空度，复合材料层板内部温度、树脂压力等信息进行工艺过程在线监测，为实验课程的开展提供良好的实验平台。复合材料热压罐成型工艺特色实验，即有传统的验证型实验特点，同时注重自主设计方案以及实验结果的综合分析，可以使学生体验一般科研课题的全过程，既提升了学生对课堂理论知识的理解，也增强了学生的学习兴趣。

1 实验设计

复合材料成型过程是材料-工艺-性能链条的关键环节，也是实现纤维性能向复合材料性能高效转换的关键，而其成型过程复杂的物理化学变化，涉及到高分子物理、高分子化学、渗流力学、材料力学等多个科学知识。热压工艺制备复合材料包括树脂胶液配制、预浸料制备、预浸料铺层设计、剪裁、铺叠与封装、热压罐成型等多个实验环节，反应了复合材料成型特点，通过本实验对于增强学生多学科知识综合运用能力以及深入认识与理解复合材料成型工艺具有重要意义[14]。图1为先进复合材料热压罐成型工艺特色实验方案与技术路线图。

2 实验设备

本实验用设备包括烘箱、冰箱、天平、电吹风、TPJ-2型排布机、热压罐，温度与压力监测设备等，热压罐设备有效集成实验室已有多项研究成果，可以对罐内气氛温度、压力、真空度，复合材料层板内部温度、压力等进行在线监测[15-16]。实验所用材料包括：纤维、树脂及辅助成形材料等。图2为TPJ-2型排布机，图3为热压罐设备及其在线监测系统。

图1 实验方案及技术流程图

图2 TPJ-2型排布机

图3 热压罐及其在线监测系统

3 实验预习

(1) 学生进入实验室之前，必须首先查阅资料，熟悉有关湿法预浸料制备、热压罐成型工艺的基本知识，熟悉复合材料铺层设计理论、工艺参数拟定方法；

(2) 熟悉辅助材料的种类、作用原理，真空袋封装顺序及注意事项；

(3) 学生自己组合3或4人为一组，按要求进行树脂胶液配制、预浸料制备、预浸料特性测试，预浸料裁剪、铺贴、封装 及热压罐成型。

(4) 实验课堂采用提问和讲解相结合方式，促使学生思考并掌握树脂胶液配制、预浸料制备及性能测试的方法和注意事项，掌握辅助材料的作用及其铺放顺序。在此基础上，学生自主设计具体实验内容(铺层方式、铺层数、结构形式、工艺参数等)，使学生了解复合材料制备过程及其注意事项(如预浸料铺叠技巧、空气夹杂、真空嘴位置对气路的影响等)，增强学生对复合材料的感性认识，理解复合材料的复合效应、性能的可设计性以及材料与构件制造的同步性等。

4 实验方法

(1) 树脂胶液配制。树脂牌号：环氧树脂，其AB组分其质量比为500：461，按配比用2 L烧杯配制环氧树脂200 g，并混合均匀；先向树脂中加入100 mL丙酮，将树脂稀释到容易流动的状态；稀释后的树脂倒入量筒中，密度计测量密度，调控丙酮加入量，配制胶液密度达到0.966 g/cm3。

(2) 预浸料制备。采用实验室TPJ-2型排布机制备湿法预浸料。树脂含量是评价预浸料的主要性能指标，其主要影响因素包括胶液密度、辊筒转速和纤维张紧力。胶液密度大，纤维张紧力小，辊筒转速慢，导致预浸料的树脂含量提高，反之则降低。同时，纱间距和纤维张紧力影响纤维之间的搭接和缝隙，纤维张紧力大，纤维丝束展开较宽，需要设定大的纱间距；反之则需要小的纱间距。排布过程中，胶液密度0.966 g/cm3，辊筒转速一般定在10 r/min，通过调节张紧力和纱间距，使排布过程中不出现纤维搭接和缝隙，如紧力过大，会导致预浸布取下后纤维回缩，发生聚集打弯。所以一般先将纤维张紧力调节到合适水平，然后调节纱间距，来减少纤维搭接和缝隙的出现。

(3) 预浸料铺层设计、裁剪、铺叠、封装。性能的可设计性是复合材料特点之一，具体表现为依据复合材料使用要求，选择纤维、树脂种类，设计纤维含量、铺层方式，以及成型方式等。预浸料铺贴时注意事项：①为了便于铺层，可用电吹风或电熨斗加热预浸料，将变软的预浸料按照预设的铺层顺序在模具上铺贴；②预浸料的铺贴时，应使其与模具面贴合。铺层之间不允许夹裹气泡、杂质，铺层也不允许褶皱、纤维屈曲；③对于拐角位置，在铺贴预浸料时，应特别注意与模具完全贴合和层间贴合，防止架桥；④每铺放3～6层，可利用真空袋抽真空进行预压实，以帮助零件成形。

(4) 温度与树脂压力在线监测。讲解热压罐设备组成及工作原理，包括加热、冷却、加压、真空系统等。使学生了解热压罐内温度、压力传递的特点以及热压罐内温度和压力在线监测方法和工作原理。

(5) 热压罐工艺制备复合材料。典型的热压罐成型复合材料的工装示意图如图4所示，封装成型过程注意事项：首先，细颗粒砂纸打磨热压罐载物车铁板表面，棉纱蘸丙酮擦拭干净，保证表面的光洁度；其次，先在模板上铺覆一层隔离膜，再将铺叠好的预浸料叠层放置在模板上，四周用挡胶条挡住，防止流胶，同时在层板周边用带孔四氟布条作为层板固化过程中导气通路放置于挡胶条四周。然后铺放隔离膜和吸胶材料，最后，依次铺放透气毡、密封胶条、真空薄膜、真空嘴，打真空袋。打开热压罐操作系统中的真空泵，抽真空到-0.1 MPa，停止抽真空，若袋子能保真空95 kPa以上1 min不降低，可认为真空袋密封良好，将载物车推入热压罐内，并在模板上贴一根热电偶以测量模具和罐内热空气的温度差，以便在成形过程中根据模具的温度随时调节温度和压力制度，确定加压时机。关闭罐门，设置工艺参数进行固化，固化过程中要始终注意罐内压力和温度变化，确保热压罐运行安全。按照固化制度固化完成后，开罐取出层板。通过敲击、目测以及厚度测量，分析层板的成形固化质量。

图4 典型的热压罐成型复合材料工装示意图

(6) 实验设计与报告撰写。根据复合材料特点，学生可以从铺层方案、结构形式、工艺参数等几个方面自主设计实验方案，在实践复合材料热压罐成型工艺的过程中，体验科研课题的一般过程，分析材料—工艺—性能关系，理解复合材料成形过程发生的物理化学变化以及科研课题的一般性研究方法。

实验方案设计包括铺层方案(铺层方式、角度、层数)、结构形式(等厚层板、变厚度层板、带曲率层板)、工艺参数(平台温度、工艺压力、加压时间)。

测试表征参量包括初始状态(单层预浸料厚度、预浸料叠层厚度、预浸料纤维体积含量、挥发分含量)；复合材料层板(吸胶量、层板尺寸、纤维体积分数、孔隙率含量以及基本力学性能)；在线监测参量(温度和液体压力)。

根据复合材料成型工艺条件和实验数据，对比分析铺层方式、工艺参数、结构形式对成型质量的影响，包括层板尺寸、纤维含量、孔隙率，结合在线测试获得的温度、树脂压力分布，利用所学理论知识(包括固化与流动特性、纤维铺层渗透率、压缩特性等)分析影响制件成型质量的因素。

5 结 语

复合材料热压罐成型工艺实验中实际动手操作使学生亲身体验复合材料制备过程，实验方案的自主权激发学生主动思考，实践课堂理论知识并了解一般科研的全过程，对于培养学生规范的操作能力、严谨的科研实验态度具有重要意义。

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Discussion on Experiment of the Autoclave Process of Composites

LIYan-xia,GUYi-zhuo,LIMin

(School of Materials Science and Engineering; Beihang University; Beijing experiment teaching demonstration center for materials science and engineering, Beijing 100191, China)

Through the experiment of the autoclave process of composites, students can understand the process of composites manufacture including the raw materials, process, properties and their relationship. At the same time, they can learn the basic experimental skills. The experimental program designed by oneself can drive the students to think and integrate the theoretical knowledge learnt in the classroom. It is helpful for students to understand the principle of composite autoclave process and composite effect, designability and synchronization of materials and components of the composite.

polymer composites; autoclave process; experiments

2014-06-12

北京航空航天大学教学改革项目

李艳霞(1977-)，女，山东宁津人，博士，讲师，北京航空航天大学，主要从事先进树脂基复合材料工艺研究与实验教学。

Tel.:18201687800; E-mail:liyanxia@buaa.edu.cn

TB 332；G 642

A

1006-7167(2015)05-0186-03