热压罐成型和VARI成型工艺

潘利剑航空复合材料结构制造基本原理第二课热压罐成型和VARI成型工艺热压罐成型真空辅助成型内容提要热压罐成型热压罐成型工艺过程热压罐成型工艺热压罐成型工艺第一步：预浸料制备（纤维浸润树脂）手工下料自动下料：拖刀、高频振荡刀、超声刀第二步：预浸料裁剪（根据结构几何尺寸）热压罐成型工艺第三步：预浸料铺放手工铺放：适合小型复杂结构，工程中需激光投影定位，过程中需要预压实自动铺放：自动铺带、自动铺丝适合大型相对简单结构热压罐成型工艺第三步：预浸料铺放热压罐成型工艺自动铺带技术ATL

优点适合大型结构件铺层大幅度节省时间、劳力，速度较手工提高10倍节省原材料，废品率仅3-5%(手工25-30%)

纤维铺贴角度更准，重复性好

应用实例A380中央翼盒、尾翼、襟翼，B787机翼蒙皮ATL:AutomatedTapeLaying第三步：预浸料铺放热压罐成型工艺自动铺丝技术AFP

优点(与ATL相比）适合于大曲面的制件

应用实例B787机身，A380后机身非承压部分AFP:AutomatedFiberPlacement自动铺丝视频第三步：预浸料铺放热压罐成型工艺真空空袋袋透气气毡毡有孔孔隔隔离离膜膜1吸胶胶毡毡有孔孔隔隔离离膜膜2脱模模布布预浸浸料料脱模模布布脱模模剂剂模具具抽真真空空密封封胶胶带带第四四步步：：封封装装热压压罐罐成成型型工工艺艺•真空空袋袋：：提提供供真真空空环环境境•透气气毡毡：：保保持持真真空空袋袋内内均均一一的的真真空空压压力力（（分分压压））•有孔孔隔隔离离膜膜1：防防止止树树脂脂流流动动至至透透气气毡毡，，但但是是需需要要小小分分子子气气体体能能够够通通过过至至透透气气毡毡•吸胶胶毡毡：：吸吸收收被被挤挤出出而而过过剩剩的的树树脂脂•有孔孔隔隔离离膜膜2：让让树树脂脂和和小小分分子子气气体体能能够够通通过过•脱模模布布：：让让复复合合材材料料制制品品表表面面具具有有布布纹纹便便于于后后续续粘粘接接或或喷喷漆漆工工序序，，同同时时脱脱模模布布应应能能够够从从制制件件表表面面剥剥离离•脱模模剂剂：：防防止止树树脂脂粘粘住住模模具具表表面面热压压罐罐成成型型工工艺艺放辅料、打真空袋热压压罐罐成成型型工工艺艺热压压罐罐固固化化工工艺艺的的设设定定，，主主要要包包括括温温度度，，压压力力，，时时间间，，真真空空度度，，升升温温速速率率等等参参数数设设定定，，不不同同树树脂脂体体系系，，固固化化工工艺艺不不同同真空空压压力力外加加压压力力温度度时间第五步：热热压罐内固固化成型树脂粘度变变化热压罐成型型工艺用于制造B787机身筒体的的热压罐(23.2×9.1米)热压罐成型型工艺热压罐固化用成型模具选材原则足够的刚度度、强度以以保证不变变形良好的热传传导性和热热稳定性与构件相匹匹配的热膨膨胀系数易于成型和和加工，低低成本材料特点铝导热性和加工工艺性好，但热膨胀系数大，并且硬度低，易受损伤钢刚性大，使用温度高，但升温速率慢。高温成型大型制件时需考虑热膨胀碳纤维复合材料热膨胀系数与所成型的复合材料构件一致，刚度大，但材料成本高，耐温低，有吸湿问题Invar钢热膨胀系数低，使用温度高，但价格昂贵，升温速率低热压罐固化典型缺陷分层由于层间应应力或制造造缺陷引起起的层与层层之间的分分离，即层层间的脱胶胶或开裂。。控制方式设计和工艺艺上减小残残余应力提高树脂韧韧性分层的显微微照片热压罐固化典型缺陷变形复合材料制制品与设计计标准不符符，外形曲曲率等参量量发生变化化的一种缺缺陷形式控制方式铺层设计(角度、比例例、顺序)工艺优化(固化温度、、降温速度度)模具种类(材料类型、、结构形式式)强迫矫正(加强筋、施施加应力)热压罐固化典型缺陷孔隙复合材料成成型过程中中形成的微微观小孔气孔孔隙长大到到一定程度度，成宏观观状态出现现的一种缺缺陷形式孔隙气孔热压罐固化典型缺陷脱粘两层复合材材料胶接界界面之间发发生大面积积的脱开现现象富脂与贫胶胶复合材料制制件中部分分区域树脂脂含量过高高，称为富富脂；部分分区域树脂脂含量过低低，称为贫贫胶。夹杂制造过程中中无意间带带进制件中中的杂质，，如颗粒、、碎片、膜膜片等整体化成型技术共固化(Co-curing)两个或两个个以上的零零件经一次次固化成型型而制成一一个整体制制件的工艺艺方法二次胶接(SecondaryBonding)两个或多个个预固化的的复合材料料零件通过过胶接而连连在一起，，其间仅有有的化学或或热的反应应是胶膜的的固化（Boeing定义)共胶接(Co-bonding)把一个或多多个已经固固化成型而而另一个或或多个尚未未固化的零零件通过胶胶粘剂(一般为胶膜膜）在一次次固化中固固化并胶接接成一个整整体制件的的工艺方法，是共共固化与二二次胶接的的组合。整体化成型技术优点减少零件数数目和连接接件数目易于实现翼翼身融合体体布局增加机体表表面光滑完完整程度避免钻孔，，减少构件件加工损伤伤A340垂直安定面面：零件数2000件100件A310、A330垂直安定面面：零件数2000件20件平尾工艺方方案-整体共固化化整体化成型实例平尾外伸盒盒端工艺方方案整体化成型实例整体化成型技术风险成型：大件件报废，风风险增大模具：大而而复杂，工工装成本上上升检测：大型型件的无损损检测材料：胶粘粘剂，特殊殊材料需要在成型与与装配成本之之间进行平衡衡真空树脂注入入成型特点：：•衍生自RTM工艺•基本特点与RTM相同•树脂流动由真真空压力驱动动(与RTM不同)•仅需半面模具具，另一面为为真空袋•制品一面光滑滑•低成本工装设设备•模具通常需要要加热以固化化树脂•生产周期较长长•机械化，自动动化程度低•制品力学性能能较高，缺陷陷少•适合制造大型型，超大型部部件真空辅助工艺艺液体成型工艺艺大型，超大型型壳类部件液体成型工艺艺真空辅助工艺艺脱模修整封装材料铺放导入树脂喷涂胶衣配树脂模具清理，脱模剂的涂抹抹纤维织物，脱脱模布，导流网，导流流管和真空管管密封胶带，真真空袋连接树脂收集集器和真空泵保压，检查气气密性脱泡按固化工艺固固化1.2VARI成型工艺流程程准备模具抽真空2.1VARI工艺对树脂要要求1黏度低，粘度度范围：0.1-0.3Pa.s;2足够长时间内内黏度不变，，有利于浸透透、排气

3

可在较低温度下完全固化;

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固化时无需额外压力，只需真空压力;

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具有良好的力学性能，满足结构使用要求;

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具有较高的玻璃化转变温度，满足耐热要求。2.2VARI工艺树脂种类类聚酯树脂、乙乙烯基树脂、、环氧树脂、、双马树脂、、氰酸酯树脂脂等。成本较低，强强度和耐热性性较差，主要要应用于船舶舶领域。性能相对较高高，主要应用用于航空航天天领域，风机机叶片也大多多采用环氧树树脂。2.3VARI树脂低粘度平平台（工艺窗窗口）预报树脂粘度-温度曲线树脂粘度-时间曲线对同一种树脂脂，通常二者者不可兼得VARI树脂两个重要要工艺参数：：注胶温度，，操作时间根据具体结构构，选择合适适的注胶温度度，同时满足足粘度和工艺艺操作时间要要求VARI树脂要求：粘粘度低，操作作时间长最佳交联固化化温度范围起始固化温度度峰值温度升温速率0℃/min起始固化温度度（凝胶温度））升温速率0℃/min峰值温度（固化温度））2.4树脂固化特性性不同升温速率率下树脂体系系的DSC分析外推法求升温温速率为0℃/min固化起始温度度和峰值温度度树脂固化温度度2.4树脂固化特性性等温DSC扫描固化时间2.5NCF织物NCF（non-crimpfabrics）织物是利用用先进的经编编技术将连续续的长纤维经经多层平直铺铺放并进行Z向缝合而形成成的无卷曲的的定向结构织织物。NCF织物普通机织物2.5NCF织物（1）更好的拉伸伸性能；（3）更高的损伤伤容限；与普通织物结结构上的差别别：NCF织物的纱线是是伸直而相互互平行的，而而普通织物的的线是卷曲的的。NCF织物为多层结结构，目前最最多可达八层层，而普通织织物一般只有有两层。NCF织物各层之间间用缝线线缝缝合，纱线不不容易移动，，而普通织物物的纱线容易易滑动。与普通织物性性能上的差别别（2）更高的抗疲疲劳性能；（4）更好的浸润润性，更高的的工作效率。。3.1VARI成型的主要问问题出现干斑、干干区；（局部渗透率率变化、流道道效应等）夹杂气泡；（漏气、树脂脂脱泡不干净净，小分子挥挥发等）厚度或纤维体体积含量不均均匀；（压力梯度等等）1432纤维体积含量量低。（固化压力低低，不超过一一个大气压力力等）1采用粘度低、、力学性能好好的树脂;2树脂粘度应在在0.1~0.3Pa·s范围内，便于于流动和渗透透;3足够长时间内内树脂粘度不不超出0.3Pa·s;4树脂对纤维浸浸润角小于8°;5足够的真空度度，真空度不不低于-97KPa;6选择合适的导导流介质，利利于树脂流动动和渗透;7保证良好的密密封，防止空空气进入体系系而产生气泡泡;8合理的流道设设计，避免缺缺陷的产生。。3.2VARI成型的技术要要求4.1VARI成型厚度影响响因素123织物所受的净净压力织物的压缩特特性织物与树脂的的相互作用VARI成型厚度4.2VARI成型压力分析析为总压力（大气压力，，且保持不变变）树脂压力预成型体所受受的净压力树脂吸注前树脂吸注过程程中树脂吸注完织物处于干态态，净压力为为大力树脂浸入后，，树脂承担一一部分压力，，织物净压力力减小树脂管关闭，，树脂压力减减小，织物净净压力增大4.2VARI成型压力分析析4.3VARI成型厚度监测测VARI成型厚度监测测装置涡流传感器控制与数据采采集系统厚度监测结果果第一阶段：树脂吸注，织织物厚度迅速速增大第二阶段持续注胶，厚度基本不变化第三阶段：注胶结束，关关闭树脂管，，厚度迅速减小小4.3VARI成型厚度监测测流道设计最VARI工艺的主要部部分之一，包包括树脂流道道和真空管路路设计。合理的流道设设计避免树脂发生生干涉以及制制件干斑的形形成缩短树脂渗透透时间5.1VARI成型的流道设设计干斑斑（树脂脂浸浸渍渍不不充充分分的的区区域域）干区区（树树脂脂完完全全未未浸浸渍渍的的区区域域））流道道设设计计不不合合理理，，容容易易形形成成干干班班和和干干区区等等严严重重缺缺陷陷！！5.1VARI成型型的的流流道道设设计计为保保持持树树脂脂凝凝胶胶前前模模腔腔内内的的持持续续真真空空度度，，需需要要连连续续不不断断抽抽真真空空排排出出模模腔腔内内的的气气体体，，由由于于树树脂脂粘粘度度相相对对较较低低，，如如果果真真空空通通道道设设置置不不合合理理，，抽抽气气的的同同时时容容易易将将大大量量的的树树脂脂，，从从而而导导致致制制品品大大面面缺缺胶胶。。过抽抽真空空通通道道设设置置不不合合理理，，容容易易导导致致过过抽抽！！5.1VARI成型型的的流流道道设设计计5.2VARI成型型树树脂脂流流道道设设计计方方式式高渗渗透透介介质质型型沟槽槽型型在模模具具表表面面上上加加工工导导流流槽槽;将高高渗渗透透介介质质（（导导流流网网））铺铺放放在在增增强强体体表表面面，，树树脂脂从从增增强强体体表表面面向向内内部部渗渗透透。。在泡泡沫沫芯芯材材上上开开孔孔或或制制槽槽来来作作为为树树脂脂流流动动的的通通道道;横向向与与纵纵向向的的混混合合流流动动，，形成成抛抛物物线线状状树树脂脂流流动动前前锋锋两种种形形式式混混合合在模模具具上上加加工工一一个个或或几几个个主主要要的的沟沟槽槽作作为为进进胶胶的的通通道道，，用用导导流流介介质质将将树树脂脂快快速速分分散散。。开孔孔开开槽槽夹夹芯芯材材料料中中树树脂脂流流动动5VARI成型型的的流流道道设设计计与与模模拟拟5.3VARI成型型树树脂脂流流道道设设计计原原则则1尽可可能能缩缩短短树树脂脂流流动动距距离离，，缩缩短短树树脂脂流流动动时时间间，，且且各各流流道道之之间间树树脂脂流流动动距距离离尽尽量量保保持持一一致致；；2保证证树树脂脂流流动动在在树树脂脂的的工工艺艺操操作作时时间间内内完完成成。。3流道道之之间间不不能能发发生生干干涉涉。。但但对对于于复复杂杂结结构构，，如如没没有有更更为为合合适适的的流流道道设设计计方方法法，，可可以以在在干干涉涉区区域域增增加加快快速速通通道道，，保保证证在在干干涉涉区区域域的的树树脂脂通通畅畅。由于于在在实实际际构构件件的的流流道道设设计计过过程程中中，，往往往往需需要要采采用用多多种种树树脂脂流流道道组组合合，，只只靠靠工工艺艺实实验验很很难难准准确确掌掌握握树树脂脂在在预预成成型型体体中中的的流流动动状状态态，，而而且且还还需需要要消消耗耗大大量量的的人人力力和和原原材材料料。。所以以，，通通常常采采用用数数值值模模拟拟软软件件模模拟拟树树脂脂流流动动行行为为，，并并对对VARI工艺艺流流道道进进行行设设计计。。5.4VARI成型型树树脂脂流流动动模模拟拟PAM-RTM是针针对对RTM、VARI等液液体体成成型型工工艺艺开开发发的的专专业业三三维维过过程程模模