硅橡胶热膨胀成型复合材料力学性能研究

易文清，宁晓磊，李金良，王海东

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

硅橡胶热膨胀成型复合材料力学性能研究

易文清，宁晓磊，李金良，王海东

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对小型深腔薄壁、多腔结构体复合材料制品难以成型，脱模困难等问题，实验探索硅橡胶热膨胀成型工艺。通过试验，摸索出适合生产加工条件的工艺间隙公式。比较了不同工艺间隙制备出试片的力学性能。而且制备出小型壳体产品，为热膨胀成型工艺在复合材料结构方面的制造提供了实验数据。

复合材料;硅橡胶;热膨胀

0 引言

复合材料具有重量轻、模量高、耐腐蚀、热膨胀系数低等特点，近年来在航空、航天、电子以至日常生活等领域都有广泛的应用。复合材料常规成型工艺方法有真空袋热压罐法、模压成型、手糊成型、缠绕成型等。但在制备形状复杂、多腔等结构时存在成本高、产品厚度不均、局部结构不密实、脱模困难、制造难度大等问题。

热膨胀成型工艺是以热膨胀系数较大的材料为芯模，烘箱加热产生压力制备产品[1]，能够克服外压难以传递均匀的不足。但是硅橡胶热膨胀工艺的压力时间控制较难，笔者就此问题进行了研究并做了工艺试验，对工艺进行了优化，并采用硅橡胶热膨胀工艺制备了小尺寸的深腔壳体结构。

图1 硅橡胶热膨胀成型原理

1 硅橡胶热膨胀原理

采用热膨胀硅橡胶成型复合材料天线罩，它的热膨胀成型原理如图1。

硅橡胶在复合材料成型温度下，产生所需的膨胀压力，从而制备出结构密实的复合材料整体件。

文献[2][3]提供硅橡胶芯模在封闭腔体中的热膨胀压力P可按公式(1)计算。

(1)

热膨胀硅橡胶的线膨胀系数，体积弹性模量，温度-压力曲线，我国还没有建立标准的测试方法。无法准确地把握产生加压点以及压力大小，给具体生产中热膨胀硅橡胶模具的设计和复合材料成型操作带来一定的困难。针对这一情况进行了具体的摸索研究。

2 实验方法

2.1 模具准备

2.1.1 硅橡胶软模的制备

(1) 机加工出软模的母模;

(2) 以合适的配比将硅橡胶的AB胶液混合均匀，采用真空脱泡进行除泡处理;

(3) 将胶液缓缓倒入母模进行硫化。

2.1.2 金属阴模的制备

机加工法制备出外模。

2.2 工艺间隙的设计

工艺间隙最终经过试验修正才能达到要求。研究者对此做了一些研究得出了适合生产的公式:

(2)

其中λ为试验所得修正系数，需要根据生产研究实际情况来摸索。

实验分别采用热压罐法和热膨胀法两种工艺方法并采用不同的工艺间隙制备碳纤维试片，对结果进行对比观察[4]。如表1所示。

表1 对比试验

2.3 力学性能测试

按照美标ASTMD3039、ASTMD7264对热压罐、软模热膨胀两种成型工艺在不同的工艺参数下制备碳纤维试板，进行力学性能测试。

3 结果与讨论

3.1 固化后外观现象

实验分别采用热压罐法和热膨胀法两种工艺方法，并采用不同的工艺间隙制备碳纤维片，制备的试片外观情况如表2。

表2 固化后外观与工艺间隙

3.2 树脂凝胶时间与温度关系

从供应商提供材料可知，原材料碳纤维预浸料所用的树脂凝胶温度为120℃。在本实验中，由于烘箱内空气温度与产品温度存在温差，在120℃左右温度时候固化速度非常慢，在加压后有大量胶流出，观察流出的胶固化情况。发现固化速度远远超过60min，证明烘箱显示温度与预浸料实际温度存在温差。金属模具温度约比烘箱显示温度约低20℃，预浸料温度约比烘箱显示温度低30℃。随着保温时间的延长，温差减小，实际树脂凝胶时间曲线如图2。

3.3 压力公式

有文献记载碳纤维预浸料成型压力Pgel一般要求大于0.6MPa。由此可以算出ΔV,进而可以算出工艺间隙[5]。综合实验实际情况总结出，本组实验所用的烘箱设定空气温度与金属模具内预浸料温度之差大约为30℃，预浸料与30mm厚的硅橡胶温差大约为20℃。推测出λ=1/9。公式为：

(3)

在不同的工艺间隙以及不同的温度时代入公式进行计算。得到不同温度下压力曲线如图3。

图2 树脂的凝胶时间曲线

图3 不同工艺间隙的温度-压力曲线

当显示温度为120℃时，树脂温度大约为90℃，流动性较差，黏度大，各组芯模提供的压力较小或者无压力，四组试验都没有出现流胶现象。显示温度为140℃左右时，预浸料达到110℃，树脂粘度迅速降低，H1试验中工艺间隙较小，硅橡胶提前加压，试板有大量流胶，导致有孔隙发生。H2的有少量流胶，工艺间隙H3和H4的几乎没有流胶。烘箱显示温度为150℃左右时，预浸料刚达到凝胶点，开始固化。H3、H4的压力不到0.6Mpa，制备的试片没有压实，制出的试片出现分层，疏松现象。H2压力达到0.74Mpa，表面光滑无孔隙，以上计算所得的数据与试验现象吻合，证实了经验公式(3)的实用性。

3.4 力学性能分析

依据ASTMD3039《聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》对碳纤维拉伸试片进行了拉伸强度、拉伸模量测试。结果如图4、图5。(工艺间隙为0时，采用热压罐法，其余为热膨胀法)

图4 弯曲强度和弯曲模量

图5 拉伸强度和模量

由图4、图5看以看出，热膨胀法制备的产品拉伸、弯曲强度和模量基本能达到热压罐工艺的水平，制出质量较好的产品。软模成型试件的拉伸强度比热压罐成型法的试件低了2.5%，弯曲强度增加了9.6%，在满足设计的需要同时也降低了成本。

热膨胀方法制备的试件中，通过测试表明，随着工艺间隙的增加碳纤维试件的拉伸强度和模量呈现先上升后下降的趋势。推测在工艺间隙0.7mm组中，树脂刚达到黏流状态还未开始固化时，硅橡胶就过早提供压力，导致胶液过度流失而贫胶，试件韧性很低，弯曲强度和拉伸强度都较低。当工艺间隙增加到1.3mm时，硅橡胶芯模能提供足够的成型压力，同时也不会导致过度的流胶现象，试件各层之间结合较好，织物与树脂试件较好地结合，织物和树脂配比适当，强度较高。当工艺间隙继续增大时，硅橡胶芯模对试验件产生的压力也急剧的降低，在凝胶温度时不能提供足够的压力，导致树脂和织物各层之间的结合不够严实，甚至出现肉眼可见的产品分层现象，拉伸强度和弯曲强度都大大降低。

工艺间隙对成型效果影响很大，随着工艺间隙的增大，制备的碳纤维产品拉伸、弯曲强度出现先增大后下降的趋势。实验中，工艺间隙为1.3mm时效果最佳。热膨胀法成型试件的拉伸强度比热压罐成型法的试件低了2.5%，弯曲强度增加了9.6%，满足设计的需要。

图6 成型产品

4 复合材料薄壳结构的应用实例

用硅橡胶作为芯模，采用热膨胀工艺制备了小尺寸复合材料薄壳产品如图6所示，制备的小天线外观平整光滑、无气泡、无贫胶现象。厚度均匀，外观尺寸和定位尺寸完全满足设计要求。具有推广应用价值。

5 结束语

(1) 通过硅橡胶热膨胀工艺研究，摸索出适合现场生产条件的经验公式，成功的指导现场生产。

(2) 在合理工艺间隙下制备的复合材料试片综合力学性能要比热压罐成型要好，成型后的复合材料层板外观光滑致密无肉眼可见孔隙。

(3) 热膨胀工艺设计的加压温度范围内可产生全方位、多角度的足够压力，为之后的小型复杂的复合材料天线罩，弯曲、异形的复合材料管、梁等复杂结构多框、加筋、薄壁腔体等的低成本制造提供新的技术途径和实验依据。

[1] 孙巍，陈革，曾竟成,等.复合材料成型模具用硅橡胶性能测试[C].国防科学技术大学,1997.

[2] 靳武刚.复合材料热膨胀成型工艺研究与应用[J].工程塑料应用,2003，(31).

[3] 鞠金山.轻质复合材料软模成型工艺技术及应用[J].现代电子,1997，4：62-66.

[4] 邵蒙,顾轶卓.硅橡胶热膨胀模具设计与纵横加筋壁板成型质量分析[J].航空学报,2012，33(6)：1116-1124.

[5] 肖加余.航天主结构复合材料及其软模辅助RTM成型工艺[J].航天返回与遥感,2007.28(2)：49-52.

Research and application of thermal expansion silicone rubber to moulding technology

YI Wen-qing,NING Xiao-lei,LI Jin-liang,WANG Hai-dong

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In order to solve the difficulties in moulding and demoulding of composite small-wall deep-walled and multi-cavity structure, the thermal expansion molding process of silicone rubber was explored in this study. Through the test, the process gap formula which suitable for production and processing is given. The mechanical properties of test piece with different process gaps were compared. And a small shell product was also made to provide experimental data in the manufacture of composite products using thermal expansion molding process.

Composite materials；Silicone rubber；Thermal expansion

2017-01-05

易文清(1986-)，工程师,主要研究方向为复合材料工艺.

1001-9383(2017)01-0073-05

TB332

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