热压罐成型和VARI成型工艺课件

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成型工艺潘利剑航空复合材料结构制造基本原理热压罐成型真空辅助成型内容提要热压罐成型真空辅助成型内容提要2热压罐成型热压罐成型3热压罐成型工艺过程热压罐成型工艺热压罐成型工艺过程热压罐成型工艺4热压罐成型工艺第一步：预浸料制备（纤维浸润树脂）热压罐成型工艺5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）热压罐成型工艺手工下料热压罐成型工艺6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7第三步：预浸料铺放热压罐成型工艺热压罐成型工艺8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带技术ATL优点ATL:AutomatedTa9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自动铺丝技术AFP优点(与ATL相比）AFP:Auto10真空袋透气毡有孔隔离膜1吸胶毡有孔隔离膜2脱模布预浸料脱模布脱模剂模具抽真空密封胶带第四步：封装热压罐成型工艺真空袋抽真空密封胶带热压罐成型工艺11•真空袋：提供真空环境•透气毡：保持真空袋内均一的真空压力（分压）•有孔隔离膜1：防止树脂流动至透气毡，但是需要小分子气体能够通过至透气毡•吸胶毡：吸收被挤出而过剩的树脂•有孔隔离膜2：让树脂和小分子气体能够通过•脱模布：让复合材料制品表面具有布纹便于后续粘接或喷漆工序，同时脱模布应能够从制件表面剥离•脱模剂：防止树脂粘住模具表面热压罐成型工艺•真空袋：提供真空环境热压罐成型工艺12放辅料、打真空袋热压罐成型工艺放辅料、打真空袋热压罐成型工艺13热压罐固化工艺的设定，主要包括温度，压力，时间，真空度，升温速率等参数设定，不同树脂体系，固化工艺不同真空压力外加压力温度时间第五步：热压罐内固化成型树脂粘度变化热压罐成型工艺热压罐固化工艺的设定，主要包括温度，压力，时间，真空度，升温14用于制造B787机身筒体的热压罐(23.2×9.1米)热压罐成型工艺用于制造B787机身筒体的热压罐热压罐成型工艺15热压罐固化用成型模具

选材原则

足够的刚度、强度以保证不变形良好的热传导性和热稳定性与构件相匹配的热膨胀系数易于成型和加工，低成本热压罐固化用成型模具选材原则16热压罐固化典型缺陷

分层由于层间应力或制造缺陷引起的层与层之间的分离，即层间的脱胶或开裂。控制方式设计和工艺上减小残余应力提高树脂韧性分层的显微照片热压罐固化典型缺陷分层分层的显微照片17热压罐固化典型缺陷

变形复合材料制品与设计标准不符，外形曲率等参量发生变化的一种缺陷形式

控制方式铺层设计(角度、比例、顺序)

工艺优化(固化温度、降温速度)

模具种类(材料类型、结构形式)

强迫矫正(加强筋、施加应力)热压罐固化典型缺陷变形18热压罐固化典型缺陷

孔隙复合材料成型过程中形成的微观小孔气孔孔隙长大到一定程度，成宏观状态出现的一种缺陷形式孔隙气孔热压罐固化典型缺陷孔隙孔隙气孔19热压罐固化典型缺陷

脱粘两层复合材料胶接界面之间发生大面积的脱开现象富脂与贫胶复合材料制件中部分区域树脂含量过高，称为富脂；部分区域树脂含量过低，称为贫胶。夹杂制造过程中无意间带进制件中的杂质，如颗粒、碎片、膜片等热压罐固化典型缺陷脱粘20整体化成型技术

共固化(Co-curing)两个或两个以上的零件经一次固化成型而制成一个整体制件的工艺方法

二次胶接(SecondaryBonding)两个或多个预固化的复合材料零件通过胶接而连在一起，其间仅有的化学或热的反应是胶膜的固化（Boeing定义)

共胶接(Co-bonding)

把一个或多个已经固化成型而另一个或多个尚未固化的零件通过胶粘剂(一般为胶膜）在一次固化中固化并胶接成一个整体制件的工艺方法，是共固化与二次胶接的组合。整体化成型技术共固化(Co-curing)21整体化成型技术优点

减少零件数目和连接件数目

易于实现翼身融合体布局

增加机体表面光滑完整程度避免钻孔，减少构件加工损伤A340垂直安定面：零件数2000件

100件A310、A330垂直安定面：零件数2000件

20件整体化成型技术优点减少零件数目和连接件数目A340垂直安定22平尾工艺方案-整体共固化整体化成型实例平尾工艺方案-整体共固化整体化成型实例23平尾外伸盒端工艺方案整体化成型实例平尾外伸盒端工艺方案整体化成型实例24整体化成型技术风险

成型：大件报废，风险增大模具：大而复杂，工装成本上升检测：大型件的无损检测材料：胶粘剂，特殊材料需要在成型与装配成本之间进行平衡整体化成型技术风险成型：大件报废，风险增大需要在成型与装配25真空树脂注入成型特点：•衍生自RTM工艺•基本特点与RTM相同•树脂流动由真空压力驱动(与RTM不同)•仅需半面模具，另一面为真空袋•制品一面光滑•低成本工装设备•模具通常需要加热以固化树脂•生产周期较长•机械化，自动化程度低•制品力学性能较高，缺陷少•适合制造大型，超大型部件真空辅助工艺液体成型工艺真空树脂注入成型特点：真空辅助工艺液体成型工艺26大型，超大型壳类部件液体成型工艺真空辅助工艺大型，超大型壳类部件液体成型工艺真空辅助工艺27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，脱模剂的涂抹纤维织物，脱模布，导流网，导流管和真空管密封胶带，真空袋连接树脂收集器和真空泵保压，检查气密性脱泡按固化工艺固化1.2VARI成型工艺流程准备模具抽真空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，纤维282.1VARI工艺对树脂要求

1

黏度低，粘度范围：0.1-0.3Pa.s;

2

足够长时间内黏度不变，有利于浸透、排气;

3

可在较低温度下完全固化;

4

固化时无需额外压力，只需真空压力;

5

具有良好的力学性能，满足结构使用要求;

6

具有较高的玻璃化转变温度，满足耐热要求。2.1VARI工艺对树脂要求1黏度低，粘度范围：0292.2VARI工艺树脂种类聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂等。成本较低，强度和耐热性较差，主要应用于船舶领域。性能相对较高，主要应用于航空航天领域，风机叶片也大多采用环氧树脂。2.2VARI工艺树脂种类聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、302.3VARI树脂低粘度平台（工艺窗口）预报树脂粘度-温度曲线树脂粘度-时间曲线对同一种树脂，通常二者不可兼得VARI树脂两个重要工艺参数：注胶温度，操作时间根据具体结构，选择合适的注胶温度，同时满足粘度和工艺操作时间要求VARI树脂要求：粘度低，操作时间长2.3VARI树脂低粘度平台（工艺窗口）预报树脂粘度-温度31最佳交联固化温度范围起始固化温度峰值温度升温速率0℃/min起始固化温度（凝胶温度）升温速率0℃/min峰值温度（固化温度）2.4树脂固化特性不同升温速率下树脂体系的DSC分析外推法求升温速率为0℃/min固化起始温度和峰值温度树脂固化温度最佳交联固化温度范围起始固化温度峰值温度升温速率0℃/min322.4树脂固化特性等温DSC扫描固化时间2.4树脂固化特性等温DSC扫描固化时间332.5NCF织物NCF（non-crimpfabrics）织物是利用先进的经编技术将连续的长纤维经多层平直铺放并进行Z向缝合而形成的无卷曲的定向结构织物。NCF织物普通机织物2.5NCF织物NCF（non-crimpfabrics342.5NCF织物（1）更好的拉伸性能；（3）更高的损伤容限；与普通织物结构上的差别：NCF织物的纱线是伸直而相互平行的，而普通织物的线是卷曲的。NCF织物为多层结构，目前最多可达八层，而普通织物一般只有两层。NCF织物各层之间用缝线线缝合，纱线不容易移动，而普通织物的纱线容易滑动。与普通织物性能上的差别（2）更高的抗疲劳性能；（4）更好的浸润性，更高的工作效率。2.5NCF织物（1）更好的拉伸性能；与普通织物性能上的差353.1VARI成型的主要问题出现干斑、干区；（局部渗透率变化、流道效应等）夹杂气泡；（漏气、树脂脱泡不干净，小分子挥发等）厚度或纤维体积含量不均匀；（压力梯度等）1432纤维体积含量低。（固化压力低，不超过一个大气压力等）3.1VARI成型的主要问题出现干斑、干区；（局部渗透率变361采用粘度低、力学性能好的树脂;2树脂粘度应在0.1~0.3Pa·s范围内，便于流动和渗透;3足够长时间内树脂粘度不超出0.3Pa·s;4树脂对纤维浸润角小于8°;5足够的真空度，真空度不低于-97KPa;6选择合适的导流介质，利于树脂流动和渗透;7保证良好的密封，防止空气进入体系而产生气泡;8合理的流道设计，避免缺陷的产生。3.2VARI成型的技术要求1采用粘度低、力学性能好的树脂;3.2VARI成型的技术374.1VARI成型厚度影响因素123织物所受的净压力织物的压缩特性织物与树脂的相互作用VARI成型厚度4.1VARI成型厚度影响因素123织物所受的净压力织物的384.2VARI成型压力分析为总压力（大气压力，且保持不变）树脂压力预成型体所受的净压力4.2VARI成型压力分析为总压力树脂压力预成型体所受的净39树脂吸注前树脂吸注过程中树脂吸注完织物处于干态，净压力为大力树脂浸入后，树脂承担一部分压力，织物净压力减小树脂管关闭，树脂压力减小，织物净压力增大4.2VARI成型压力分析树脂吸注前树脂吸注过程中树脂吸注完织物处于干态，净压力为大力404.3VARI成型厚度监测VARI成型厚度监测装置涡流传感器控制与数据采集系统4.3VARI成型厚度监测VARI成型厚度监测装置涡流传感41厚度监测结果第一阶段：树脂吸注，织物厚度迅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，关闭树脂管，厚度迅速减小4.3VARI成型厚度监测厚度监测结果第一阶段：第二阶段第三阶段：4.3VARI成型42流道设计最VARI工艺的主要部分之一，包括树脂流道和真空管路设计。合理的流道设计避免树脂发生干涉以及制件干斑的形成缩短树脂渗透时间5.1VARI成型的流道设计流道设计最VARI工艺的主要部分之一，包括树脂流道和真空管路43干斑（树脂浸渍不充分的区域）干区（树脂完全未浸渍的区域）流道设计不合理，容易形成干班和干区等严重缺陷！5.1VARI成型的流道设计干斑（树脂浸渍不充分的区域）干区（树脂完全未浸渍的区域）44为保持树脂凝胶前模腔内的持续真空度，需要连续不断抽真空排出模腔内的气体，由于树脂粘度相对较低，如果真空通道设置不合理，抽气的同时容易将大量的树脂，从而导致制品大面缺胶。过抽真空通道设置不合理，容易导致过抽！5.1VARI成型的流道设计为保持树脂凝胶前模腔内的持续真空度，需要连续不断抽真空排出模455.2VARI成型树脂流道设计方式高渗透介质型沟槽型在模具表面上加工导流槽;将高渗透介质（导流网）铺放在增强体表面，树脂从增强体表面向内部渗透。在泡沫芯材上开孔或制槽来作为树脂流动的通道;横向与纵向的混合流动，形成抛物线状树脂流动前锋两种形式混合在模具上加工一个或几个主要的沟槽作为进胶的通道，用导流介质将树脂快速分散。开孔开槽夹芯材料中树脂流动5VARI成型的流道设计与模拟5.2VARI成型树脂流道设计方式高渗透介质型沟槽型在模具465.3VARI成型树脂流道设计原则1尽可能缩短树脂流动距离，缩短树脂流动时间，且各流道之间树脂流动距离尽量保持一致；2保证树脂流动在树脂的工艺操作时间内完成。3流道之间不能发生干涉。但对于复杂结构，如没有更为合适的流道设计方法，可以在干涉区域增加快速通道，保证在干涉区域的树脂通畅。5.3VARI成型树脂流道设计原则1尽可能缩短树脂流动距离47由于在实际构件的流道设计过程中，往往需要采用多种树脂流道组合，只靠工艺实验很难准确掌握树脂在预成型体中的流动状态，而且还需要消耗大量的人力和原材料。所以，通常采用数值模拟软件模拟树脂流动行为，并对VARI工艺流道进行