复合材料热隔膜预成型工艺分析

鞠强

摘要：复合型材料在飞机结构中的应用逐渐在增多，符合材料的构件也逐渐开始复杂化和大型化，采用传统的工艺生产，生产效率较低，材料的成型质量也不稳定，根据现实情况的需求，逐渐产生了新型的工艺技术，即热隔膜成型技术，这种技术和自动铺带技术结合，能够进行热固性符合材料的预成型，提高了材料成型的效率及质量。

关键词：复合材料;热隔膜预成型;工艺

引言：

因为复合材料在航空领域的应用日渐广泛，采用传统的手工工艺已经满足不了现实生产的需求，自动铺带技术也无法完成异型呈力结构的铺贴，因此，为了满足生产需求，随即研究出了一种新的热隔膜预成型工艺，这种工艺能将铺贴好的预浸料层进行增温增压，然后将其折成C型或者L型等各种异型结构。本文将对复合材料的热隔膜预成型工艺进行论述。

一、热隔膜预热成型设备参数及工装设计

热隔膜成型设备包含这么几个组成部分：加热库、隔膜框、真空床、预热床等。它的配套系统有热工系统、真空系统、气动系统等。单隔膜成型技术可以使用单隔膜设备或者双隔膜设备，单隔膜设备运转只需加热库、真空床以及隔膜框。双隔膜成型技术只能使用双隔膜设备，双隔膜设备运行时需要隔膜框、加热库、移料床、真空床等[1]。在进行热隔膜预成型时，设备问题或者工艺问题都有可能造成零部件的缺损，如果是设备问题造成的零部件缺损，可以在后期进行设备优化和维护以避免问题发生。如果是工艺因素所致的零部件缺损，则只能优化工艺改善缺陷的产生。工艺因素主要是预成型温度和成型速率。预成型的温度对预浸料的流动和变形能力都有决定性的影响，因此也是影响零部件质量的重要因素。一般碳纤维预浸料的预成型温度在45-80℃，当温度在45℃时，零件拐角处的褶皱较为严重，当温度在60-80℃之间时，则拐角处表面光滑，没有褶皱[2]。因为温度较低时，层间的变形能力较强，而滑动能力弱，所以容易造成褶皱，反之，温度较高的情况下，层间变形能力和滑移能力基本相同，所以不容易产生褶皱。所以，在实际生产时，最合适的温度是60℃或者80℃，以这样的温度进行热隔膜预成型是最佳的。

在进行热隔膜预热成型时，不同阶段的温度、压力都会产生变化，但这时成型工装却不能发生型变，它需要保持一定的热稳定和刚性。因为隔膜薄，因此工装必须平整光滑、无缝隙，无锋利尖角。成型工装在热隔膜成型时对零件的外形具有重要的决定作用。成型工装主要分为阴模和阳模，阴模工装预成型的零件质量较难把控，因此热隔膜成型一般不采用阴模工装。而阳模工装加工起来容易得多，成本也低，适合自动铺带技术，常被作为双隔膜预成型的工装。

真空速率对零件的质量也有重要影响，在双隔膜预成型时，双隔膜间和真空床都是两个密闭空间，双隔膜间真空可以确保层压件免受自重影响而变形，单隔膜预成型只需控制真空床压力。根据实验，当温度处于80℃时，利用三种不同速率进行C型梁的预成型，三种速率中，速率越大的情况下，零件拐角褶皱越严重，因为真空速率增加时，拐角变形速度就会加快，预浸料层间的滑移变弱，所以易形成褶皱。

二、热隔膜预成型工艺技术过程

热隔膜预成型是对复合材料进行预成型的一种方法，它是铺贴一个工装大小的层压件，在隔膜间给予增压增热，让层压件逐渐与工装表面贴合，从而形成所需的零件外形。這也属于一种折弯方法，也就是短时间内利用隔膜辅助，预成型一种内部没有孔隙，拐角没有褶皱且没有纤维屈曲的零部件。如果对热隔膜预成型工艺下的零部件按照成型方向划分，可以划分为两种，即正向法和反向法，正向法是隔膜从上之下，让层压件与工装表面贴合并包住工装表面，反向法刚好相反。如果按照工艺分类，则分为单隔膜预成型和双隔膜预成型。两种方法的具体情况如下：

（一）单隔膜预成型的过程是将平板预浸料放在工装表面，将隔膜放在平板预浸料的上面，用隔膜框夹住隔膜，利用红外进行加热，等到温度达标后，通过对真空速率进行控制，让平板预浸料慢慢折弯，最后贴合在工装面上，这样就形成了需要的材料形状。

（二）双隔膜预热成型的过程是将平板预浸料固定在两个隔膜的中间，隔膜上下放置，用隔膜框夹住隔膜，然后抽取真空来增压，再利用红外加热，等到温度达到预设的标准后，再继续抽真空，最终让两个隔膜间的平板能够最大限度地贴合在工装表面，这样就形成了需要的形状。

（三）单隔膜预成型和双隔膜预成型都有各自的优缺点。单隔膜预成型对于抽真空的速率无法进行精确控制，因此零件内夹杂的气体也无法有效排出去，零件内部会形成大量孔隙，所以零件的内部质量不佳[3]。另外，因为自重原因致使拐角处有很多褶皱，在单隔膜预成型过程中，对于层压件不能进行准确定位，所以很容易造成滑动，现实生产中不方便使用。但是，从隔膜的使用方面来看，它的工艺简单，可以节省原材料成本，预成型的时间也会缩短。双隔膜预成型过程中，因为层压件在两个隔膜之间，所以真空速率能得到较好的控制，因为层压件被牢牢夹紧，因此滑动的现象明显减少了很多。用双隔膜成型工艺来预热成型相同厚度的C型零部件，可以形成表面质量较好的零部件。但是如果预热成型变厚度的零部件，在同等真空速率下，层压件较薄的部分抗压力较弱，因此容易造成预成型时，层压件薄的区域拉拽厚区域的材料，造成厚区域材料滑动到薄的区域，在薄厚过度的位置容易产生褶皱，尺寸精度无法保证。

结语：

热隔膜预成型工艺在航空领域的应用比较广泛，它与自动铺带技术结合形成了一种重要的工艺方法，在工艺进行中，选择合适的参数，能够确保材料的质量和外观都能达到预期。利用科学合理的方法热隔膜预成型工艺操作，对于制造一些异型结构的材料是很有帮助的，但是还需要更为详尽的数据和实验作为依据。目前，热隔膜成型并没有被人们广泛认知和发展，但是随着技术的革新和应用范围的扩大，这种成型技术将会越来越受到青睐。

参考文献

[1]黄彬瑶，张君红.热隔膜成型技术工艺进展研究[J].新材料产业，2017（10）：50-54.

[2]赵学莹，戴东梅，宋春杰，等.热固性碳纤维复合材料热隔膜预成型工程化应用研究[J].纤维复合材料，2017，34（1）：18-23.

[3]王立冬，魏冉，徐鹏，等.基于温度的隔膜超弹性本构模型[J].上海交通大学学报，2017，51（9）：1025-1030.