S型环控管道的碳纤维复合材料制造工艺试验

徐竹 王世峰

摘      要：以某武装直升机S型环控管道为研究对象，选用具有阻燃特性的碳纤维复合材料预浸料，采用充气芯模+阴模特殊结构的成型模具完成制造工艺试验。试验中充气芯模采用充气袋，外形为复合材料制件的内腔体形状，金属阴模结构为框架式模具，分为上、下模两部分，铺层方案采用管道整体铺层和翻边部分铺层两部分完成。试验过程中铺层完成后在铺层内腔放置充气芯模，然后连接气源装置进行充气，经过反复充气试验后，最优化的气压大小为2.5 MPa。合模后的装置加压调整好后采用烘箱固化，在烘箱中缓慢升温至125 ℃保温2 h固化得到制品。本试验所得S型环控弯管表面光顺、法兰边缘整齐，厚度符合图纸要求，整体尺寸公差符合要求。用存水的方法检验S型环控弯管的密封性，结果显示没有漏水、渗水现象。

关  键  词：S型环控管道; 碳纤维; 复合材料; 充气芯模; 制造

中图分类号：TQ050.4+3       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）04-0584-04

Abstract： Taking the S-type environmental control pipeline of an armed helicopter as the research object， the carbon fiber composite prepreg with flame retardant characteristics was chosen， and the manufacturing process test was completed with the special structure of inflatable core mould and negative mould. In the experiment， the pneumatic core mould was made of pneumatic bag， which was shaped as the inner cavity of composite parts. The metal negative mould structure was a frame mould， which was divided into upper and lower parts. The laying scheme was completed by integral laying of pipeline and flanging laying of part. In the course of the test， the pneumatic core mould was placed in the inner chamber of the pavement after the completion of the pavement， and then connected with the air source device for aeration. After repeated aeration tests， the optimum air pressure was determined as 2.5 MPa. After adjusting the pressure of the device after closing， the product was cured in oven， and the product was cured by heating slowly up to 125 ℃ for 2 h. The surface of S-type environmental control elbow is smooth， the flange edge is neat， the thickness meets the requirements of the drawings， and the overall dimension tolerance meets the requirements. The sealing property of S-type environmental control elbow was tested by water storage method. The results showed that there was no leakage or seepage.

Key words： S-type environmental control pipeline; Carbon fiber; Composite material; Inflatable core mould; Manufacturing

近年来， 复合材料在航空航天、交通运输等领域的应用优势日渐明显。环境控制系统（Environme -ntal Control System，ECS）作为飞机不可或缺的一部分， 除了给飞行人员和乘客提供舒适安全的环境外，更重要的是能够为飞机上的仪器和仪表提供优越的环境， 保证仪器仪表精确有效的工作[1-3]。在直升机环控弯管[2]中使用先进复合材料使结构部件变得更轻、更耐用，特别是大型整体结构部件，减少了大量的零部件连接和装配工作，降低了过程成本。本文围绕典型直升机环控弯管为研究对象，按照GJB2895-1997 《碳纤维复合材料层合板和层合件通用规范》完成碳纖维复合材料制造过程所有工艺及检测试验。S型环控弯管零件的结构特点是方形弯管， 薄壁而且带有翻边，如图1所示S型环控弯管零件图。这种S型环控弯管零件如果采用阳模成型，则是模具脱模困难，无法脱模;如果采用阴模成型，则手工铺层无法进行。气袋成型法和膨胀成型法都可以用于生产空腹、薄壁高性能复合材料制品。传统的气袋成型工艺是将气袋与已铺好的预浸料一同放入模具内，利用热空气气压将预浸料贴紧模具再固化成型得到成品，这种成型方法在成型时气袋对内壁的压力会不均衡，气袋容易破裂导致产品出现缺陷[4-6]。本试验采用的是改进的气袋成型结合膨胀成型工艺，制造过程中选用具有阻燃特性的碳纤维预浸料，采用充气芯模和一对钢制阴模成型，完成复杂结构环控弯管的工艺研究过程，获得符合技术要求的试验件。

1  实验部分

1.1  原材料

本试验采用阻燃型的碳纤维预浸料布为成型碳纤维复合材料的主体材料，用于S型环控弯管零件的制造工艺，规格为200 g/m2阻燃树脂，要求125 ℃中温固化，含胶量为45%。

试验中还采用无孔隔离膜、透气毡、真空袋等一系列的真空封装材料作为成型S型环控弯管零件的辅助材料。

1.2  工装准备与设备

1.2.1  S型环控弯管成型模具

膨胀成型法是用于生产空腹、薄壁高性能复合材料制品的一种工艺。其工作原理是采用不同膨胀系数的模具材料，利用其体积膨胀不同产生的挤压力，对制品施工压力。膨胀工艺中，根据制件的结构特点，必须设计阴模和芯模两套模具。成型S型环控弯管零件的模具采用了一种独创的成型增强复合材料产品的模具结构。

（1）本试验阳模采用厦门新旺新材料科技有限公司的充气袋作为芯模，为了确保S型环控弯管内壳壁厚和重量符合图纸要求，S型环控弯管内壳不会产生气泡、富胶、贫胶、分层、空隙、扁塌和皱褶等缺陷，成形后内壳能够顺利地成型和脱模，芯模的尺寸必须合适。充气芯模外形为复合材料制件的内腔体形状，尺寸比制件设计的值减少一定的量。

（2）阴模采用一对金属材料对模，金属对模如图2所示。该模具用于回风口零件的干法铺贴-真空袋成型， 成形后的回风口制品应符合回风口图纸的公差要求，未注公差按照Q/JG20.1-1996加工。模具内腔尺寸为碳纤维复合材料制件S型环控弯管的设计外形尺寸。S型环控弯管零件采用阴模的模具结构为框架式模具，分为上、下模两部分，上、下模组合符合加工精度。合模后需要用C形夹进行固定处理。

1.2.2  气源处理二联件

本试验采用正泰BFC系列，管接口直径PT1/4，可调范围0.05～0.9 MPa，耐压力1.5 MPa。本试验中配套气源处理二联件的还有充气嘴、气枪、气管接头、气泵空压机接头等。

1.2.3  加热成型设备：烘箱

本试验采用烘箱设备吴江东禾烘箱设备制造有限公司生产的，技术指标如下：有效宽度：3 000 mm;有效长度：3 000 mm;有效高度：2 500 mm;温度波动：0.5±℃;温度均匀性：±5 ℃;最高温度：250 ℃;升温速率：RT+10～250 ℃≤30 min;安装电源：380/50 Hz。烘箱主要配件和备件：温度控制和显示装置;温度报警和控制装置;居中放置的箱内工装车，承载不小于1 000 kg。

2  制造工艺试验过程

本试验采用的是改进的气袋成型结合膨胀成型工艺，在S型环控弯管碳纤维复合材料制造中，先在钢质阴模内按设计铺放预浸料，然后在腔体内放置充气芯模，模具组装后进行加热固化。

2.1  主要技术要求

（1）制造工艺方法要求：产品采用充气芯模+阴模成型;工艺过程采用一次铺贴固化;加工过程应满足图纸技术要求。

（2）表面质量要求：S型环控弯管表面应光顺、清洁、无固化不良、浸渍不良、毛刺、裂纹等缺陷;S型环控弯管法兰边缘整齐、无分层;厚度符合图纸要求，无目视可见气泡夹杂。

（3）密封要求：S型环控弯管完成后，管道壁不允许有漏气现象，将S型环控弯管竖直放置，法兰面采用密封胶粘接平板上，要求灌满水，水位离口部20 mm距离静置30 min后，检查是否有漏水、渗水现象。

（4）尺寸公差要求：S型环控弯管应符合图纸所有公差要求，未注公差按照Q/JG20.1-1996加工。

（5）重量检测要求：按图纸要求对产品进行称重检测。

（6）质量控制要求：必须严格按照GJB 9001C-2017质量管理体系的要求，对生产加工过程进行质量控制，并保留相关的质量记录以备查。

2.2  确定铺层方案

根据S型环控弯管零件的尺寸和重量要求，零件铺层方案包括两部分：S型环控弯管管道铺层和翻边部分铺层。铺层方案如下：

（1）S型环控弯管管道铺层采用上模、下模分别铺层如图3-4所示，铺层厚度是两层，在铺层时注意上下模对接部分的处理，尽量把搭接部分避开弯管的接缝处。

（2）翻边部分是在合模后进行翻边铺层。层数是7层，注意搭接和对接。

2.3  固化过程

铺层后未固化的制品进行合模，放置充气芯模于铺层内腔，连接气源装置进行充气，如图5所示。

采用复合材料工装模具限定S型环控弯管外壁造型和尺寸， S型环控弯管内壁采用充气芯模对铺覆了规定层数预浸料的S型环控弯管从内向外施压。充气芯模可以利用气源处理二联件可以控制气压的大小，本试验经过反复调整，最优化的气压大小为2.5 MPa。

本试验固化工艺是将合模后的装置加压调整后置于烘箱中缓慢升温至125 ℃保温2 h。加热时由于阳、阴模的膨胀系数不同，产生巨大的变形差异，使制品在熱压下固化。

本工艺中压力随温度变化，为了减小模具、复合材料与芯模之间的温差，在接近前减小升温速率，并增加恒温时间，在加热时严格控制温度。这种膨胀工艺制备的碳纤维树脂基复合材料力学性能比较结果与热压罐工艺基本相当。烘箱设备属大功率高温设备，使用时要注意安全，防止火灾、触电及烫伤等事故。

2.4  固化后产品后处理

固化后的试验件进行产品后处理，所得产品如图6所示。

（1）尺寸修整  按设计尺寸切去超出多余部分。产品固化脱模后，用金刚石砂轮沿画线切割，切割时加水可以使切口平滑，同时也可以减少污染。

（2）磨边与去毛刺

用角向磨光机将毛面的制品表面的毛刺打掉，将凸起的胶块打平，修整切边、倒角等。

2.5  产品性能测试

本试验经过反复试验，最优化工艺方案所得试验件性能测试如下。

（1）S型环控弯管外观表面光顺、清洁、无固化不良、浸渍不良、毛刺、裂纹等缺陷;法兰边缘整齐、无分层;厚度符合图纸要求，无目视可见气泡夹杂。

（2）按图纸要求对产品进行称重检测，质量是180 g ，符合不超过200 g要求。

（3）按图纸要求对S型环控弯管进行整体尺寸检验，尺寸公差符合要求。

（4） 用存水的方法检验S型环控弯管密封性，将S型环控弯管竖直放置，法兰面采用密封胶粘接平板上，将S型环控弯管灌满水，水位离口部20 mm距离静置30 min后，经检查没有漏水、渗水现象。

3  结 论

（1）S型环控弯管原材料采用具有阻燃特性的碳纤维预浸料，保证制件耐温防阻燃性能。

（2）S型环控弯管制造过程采用充气芯模+阴模成型的膨胀成型工艺，充气芯模采用充气袋，外形为复合材料制件的内腔体形状，尺寸比制件设计的值减少一定的量。金属阴模结构为框架式模具，分为上、下模两部分。

（3）S型环控弯管零件铺层方案采用管道整体铺层和翻边部分铺层。管道整体铺层采用上模、下模分别铺两层后合模所得;翻边部分是在合模后进行铺层，层数是7层。

（4）将合模后的装置利用气源处理二联件加压调整后，最优化的气压大小为2.5 MPa。

（5）在烘箱中缓慢升温至125 ℃保温2 h，得到制品，经测试制品表面质量、尺寸公差、密封性均符合技术要求。

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