复合材料热隔膜成型技术

1、过去复合材料曲面件一般都用手工铺层，但是手工铺层效率太低，压实不好，纤维有皱折， 质量不易保证，而机械化铺层适用于平面或简单曲面件，对于类似饭金折弯件、 引伸件和压延件则难度很大甚至无法实现。比较可行的办法是先将预浸料通过铺带机铺成层压件（一般平面就可以），再通过热隔膜成型，然后通过热压罐支持的方法制成产品。对"热隔模成型"一词，国外资料中有" Hot Drape forming ”和"Hot Diaphragm fo rming ”两种解释，事实上它们是一回事，前者应翻译为热压垂帘成型或覆盖成型，后者即 直译为热隔膜成型。因为“垂帘”的意思本身即指工作

2、过程中隔膜像一个垂帘一样盖在产品 和工装上，所以统一用热隔膜成型比较确切。热隔膜成型概念热隔膜成型是一种复合材料成型方法，即将预浸的复合材料层压后放置于模具上，通过一种特制隔膜的辅助作用经过抽真空和加热等方法，将层压件压向模具，形成所需形状。复合材料隔膜成型类似于金属材料的引深/压延以及折弯成型。它不但可以成型一些形状复杂的产品，而且由于隔膜的作用，可以在成型过程中保证纤维不滑动、不起皱、无波浪，从而提高产品强度和表面质量，很适合于内设件、曲面复杂件和受力件（如一些梁和长桁等） 的成型。热隔膜成型除用于复材件热成型外，还可用于各种蜂窝的胶接和压实，包括飞机内设件的蜂窝胶接、铝合金蜂窝胶接和真空

3、压实等。虽然RTM RFI等技术也可以制造成多种此类产品，但它们是通过在纤维注入或真空吸 入树酯解决的，树酯的含量、分布很难达到满意的程度。而隔膜成型用的是预浸料，其本身树酯含量是有保证的， 再通过隔膜的作用使之不起皱和有序滑移，同时保证强度不会降低或不会明显降低，并保证厚度。热隔膜成型方法可用于热塑性及热固性树脂预浸的材料，通过热压罐或不需热压罐（如蜂窝夹芯胶接）固化。隔膜要求比较严格，可用硅橡胶代替特用的聚合隔膜以降低成本。产品拉深的深度与其直径之比最大可达到4 ： 1。用于蜂窝胶接时，一般只需在设备上抽真空压实（De-Bulking ）,无需进热压罐。热隔膜成型分类热隔膜成型从成型方法上

4、看有“正向成型”和“反向成型”2种，前者即热隔膜从上面将材料往下压向模具， 后者是热隔膜从下往上包住材料压向模具；从使用的预浸料所含树酯材料来说有“热固性成型”和“热塑性成型”之分；从使用隔膜的数量上来说有“单隔膜成 型”和“双隔膜成型”之分。对于拉深率大、曲度大的产品，热隔膜成型预浸件的基料最好采用热塑性材料，因为要保证其成型就必须加温，并使之在加到所需温度后能保证其成型有相当的塑性。其中聚酰酰酮（PEEK和以PEEK为基体的碳纤维复合材料 （APC-2）是比较常用的材料，它具有耐高温、 耐蚀、阻燃等优点，但聚苯硫酰（Poly Phenylene Sulfide , PPS）被认为是更好的预

5、浸基料。其熔点为280C，热变形温度为260C，特点是耐热，寿命长。与热固性树脂相比，热塑性树 脂形成的预浸材料虽然具有除成型复杂件外的施工快、周期短、可重复使用、贮存期长、容易修理、机械性能优良、韧性好、抗冲击、耐湿耐热等优点，但是由于其原材料成本高、预 浸料粘性与铺覆性差，最高成形温度达350450 C, 一般热压罐温度不能满足其要求，且热塑性树脂的生产经验不足，目前在飞行器结构中尚处于研究试用阶段，应用有限。隔膜成型主要用于较复杂的产品，它只能解决一个产品初型问题（预制件），后面进热压罐前还需跟上一些补充工序，包括手工修整。一些不能同时成型的零件也可考虑在进入热压罐后同时共固化，所以在隔

6、膜成型前由于工装、设备、加压方法限制不能同时一次成型的产品，热压罐里还有一次补充的机会。正向成型设备的典型结构是：设备底部有一个可抽真空的底座，上部有加热机构，工装放于底座上，隔膜放置在上部。如果用双层隔膜，即根据情况有的是将材料（铺层后的预浸 料层压件）放在两层隔膜之间，有的将两层隔膜置于材料（层压件）之上。隔膜下降，使之 紧贴材料和模具，形成密封，并同时压迫材料、抽真空、加热，材料被贴到模具上成型。对 一般构件来说，热隔膜成型后除蜂窝胶接和薄蒙皮等简单产品外，其他还需进入热压罐固化。反向隔膜成型即将材料置于模具下部， 隔膜又置于材料下部， 抽真空后，隔膜从下面往上包 盖材料压向模具，使材料

7、成型。反向成型的设备在原理上与正向设备完全一致，但在具体装置上（如抽真空位置、模具与隔膜的放置等）有所不同。基本的热隔膜成型（正向法）的典型过程示意图如图1所示。(d) _匚序4图1热隔膜成型(正向法)典型过程工序1 (图1(a):模具放在底座上，预浸层压件(未示出)放在模具上或与隔膜一同 夹紧加热，加热由定时装置或敏感原件控制，并可测温。工序2 (图1(b):隔模下降(或同时模具上升)使隔膜压住层压件，与模具贴紧。工序3 (图1(c):抽真空，成型结束，开动风扇，加速冷却。工序4 (图1(d):冷却后，停止抽真空，输入压缩空气，模具下降，取出产品 ，测量 厚度。热隔膜成型关键技术1、隔膜技术

8、隔膜成型的关键是合适的隔膜，隔膜除弹性要求外，还要求耐温、刚性好，当层压件变形时能对层压件产生较大的拉力或抵消压应力。其选择如下：(1) 可延展金属。有高的拉伸性和高温热塑性的VACALL0Y TYPE D为SPF铝，在300,400C有200咖更大的延伸率。厚度在 0.12.0mm之间，最好的是 0.10.25mm。(2) 聚酰亚胺(Polyimide)。航空上常用的是 E.I.Depont DeNemous 公司的Kapton.R TM Polyimide 膜和 UBE工业公司的 UPILEX.RTM Polyimide 膜。Kapton.RTM 的 “ H'型膜伸 长率在300C

9、时为100% 而UPILEX.RTM.的“ R”型膜在300C时伸长率为 250% 有效厚度 均为 0.025 0.127 mm。隔膜存在的问题是价格较贵，而且用一次以后就要报废，所以各企业都在研究代用材料。(3) 硅橡胶。经试验后符合本产品要求，可制成隔膜使用，可以满足简单零件。国外有用 Moister Rubber Company 的Moister 1453D 橡胶板，国内某科研机构选用了Aero rubber company的0.0625英寸(1.5875mm)厚半透明的硅橡胶材料，在一般的设备上用热固性 预浸料进行一般形状的真空成型试验，证明可以满足要求。 但由于隔膜厚度较大，产品厚度

10、的变化也较大。洛克西德马丁公司用单隔膜制造过隔框。但除成型简单产品外，一般都要用双隔膜， 将铺层后的预浸料放在两层隔膜中间成型。为减少消耗，美国等一些公司正在研究用单隔膜代替双隔膜，其办法是从预浸料的树酯开始，研究采用新型树酯，使之具有更好的热塑性。2、隔膜成型设备目前国外供给热隔膜成型的设备已经比较多，这些设备除具一般热压机的特点外，还具备抽真空装置。另外由于热隔膜成型件的尺寸往往较大，所以一般的热压机往往难以符合要求。A400M机翼大梁用的热压机，长度 20多m就是美国Aeroform Ltd 公司专门为它设计 制造的。美国康泰公司是供应热成型机的一家比较大的公司，其设备(见图2、图3)已

11、提供给全球70多个国家地区，最早是在 20世纪80年代为英国BAE公司费式战斗机生产提供，此 后为SAA/司的Gripen战斗机，后来又为直升机和费式维修工厂和欧洲战斗机项目，以及波音787提供了类似设备。图2美国康泰公司热隔膜成型机图3加热库内部SSF (Space Station Freedom )的一些热隔膜成型件由波音公司生产，它有专用的成型设备，该成型设备用铝质骨架构成，其内有3个三相480V的红外线加热器，数字控制。有抽真空管路，工作平台也是铝制的，在工作台上做完准备工作后将其推入设备开始工作。热隔膜成型技术应用热隔模成型已成功地应用于波音777长桁和V22长桁的生产。A400M的

12、机翼前梁用了此工艺方法生产，并被权威部门认为是生产“C”型梁的最理想方法。1 、A400M机翼前梁的热隔膜成型该大梁在英国GKN生产，被称为第一个用热隔膜成型的最大最关键部件。GKN为此投入了 140万英磅向西班牙订购了一台11轴、20m长的高速铺带机，使工时比原来手工铺层提高 50倍，成本降低30%不仅提高了质量、紧密度，还减少了无损检测时 间。首先在该机上将 CYTE必司提供的预浸料铺成平的层压件，然后将该层压件移至Aeroform公司提供的热隔膜成型机上，置于两层由Dupot Electronic Technologies公司提供的Kapton Polyimide Film（一种聚酰亚胺

13、薄膜）隔膜之间，隔膜中间抽真空，从上面开始缓慢加温（红外线加温）1h,直到温度全部达到 60 C,然后再抽真空，将隔膜紧紧夹住层压件 均匀压到模具上，约20min结束，保证C型梁的内型正确。最后取下预成型件， 撕去隔膜（隔 膜报废），将预成型件转移到固化工装上，装夹好，送入热压罐固化。2、长桁型件的热隔膜成型Accudyue 公司生产专门的桁条铺带机，可成型 30cm宽、11m长的层压件，铺层速度 10 0英尺/min （30.48m/min ），边缘平齐度 0.018英寸（0.457mm）,切割精度0.030英寸（0.762 mm），有塔式装卸装置，可自动更换材料。波音777和V22的长桁铺

14、层后用热隔膜成型，克服了用老办法成型时的表面皱褶及其他缺陷。其中V22用的是正向法，而波音777采用的是反向成型法，即将材料置于模具下部，隔膜又置于材料下部，抽真空后通过隔膜向上将材料包向模具，补加工或需添补之处在进入热压罐前在夹具上解决。正向法和反向法各有优劣，一般认为正向法在加热开始时不能有效地控制材料的受热变 形，尤其对双曲面产品更是如此。反向法由于材料放在隔膜上，受热情况较好，但模具要支起来（因为隔膜和材料要放在它的下部），对重量大的模具实施起来有困难。SSF 的滑轨用的和 V22 一样正向成型法。其中有 C型长桁还有角型件和 W型件，前两者 一次即可成型，后者分 2次成型。图4表示热

15、电偶的安装位置。从上到下依次为层压件、热电偶和成型模。压紧的层压洋巍制偶雄束图4热电偶安装位置图5表示C型件成型前的预成型件安装，其最上层为起隔膜作用的密封橡胶胶囊，由 Msites Rubber Company 提供的 Mosite 1453D 硅橡胶板制成 (真空密封)，第二层是一层 TFP脱模布，第三层是协助加强隔膜成型作用的2层氟化乙烯丙烯塑料(Fluorinated ethylene propylene , FEP),下面是预浸料层压件，最下面是模具。图5 C型件成型前的预成型件安装预安装在平台上进行，安装后推入设备。其操作要点是：(1) 工装清理后要涂上脱模剂；(2) 热电偶放9个

16、，须安置于产品非工作部分；(3) 层压件用尼龙销定位；(4) 修TFP使其比零件周边大 0.20.5英寸(5.0812.7mm);(5) 温度设置在120140° F (4960C)，并检查好监控系统；(6) 当热电偶指示 115140° F (4660C)时开始抽真空；(7) 整体系统的全部温度达到规范要求后继续加热不能超过5min,温度不能超过150 oF (66C);(8) 冷却至95oF (53C)以下断掉真空。图6是另外2种成型件，黑色的是材料，白色的是模具。( a)图是一种角材，用 1套模具成型，（b）图是一种“W型加强件，用2套模具成型，第一套模具将其压成 “V型件, 第二套模具再将其压成“ W型（反向）。(b)图6成型件的另两种形式从以上几种产品的成型方法来看，具体的成型方法各有千秋， 但成型的基本原理和程序不变，因此可以根据各自的产品要求和自身条件适当地灵活运用。结束语随着复合材料在飞机结构中的应用不断扩大，复杂件愈来愈多，强度和