熱壓罐成形工藝是將復合材料毛坯、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)或膠接結(jié)構(gòu)用真空袋密封在模具上，于熱壓罐中,在真空(或非真空)狀態(tài)下，經(jīng)過升溫,加壓，保溫(中溫或高溫)，降溫和泄壓過程，使其成為所需要的形狀和質(zhì)量的成形工藝方法。熱壓罐成形工藝是目前廣泛應用的先進復合材料結(jié)構(gòu)、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)及金屬或復合材料膠接結(jié)構(gòu)的主要成形方法之一，制造的構(gòu)件可應用于航空航天領域的主承力和次承力結(jié)構(gòu)，熱壓罐成形工藝主要適用于大部分熱固性復合材料、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)以及膠接結(jié)構(gòu)的成形。
熱壓罐成形的主要優(yōu)點之一就是適合 于多種材料的生產(chǎn)，只要固化周期、壓力和溫度在熱壓罐極限范圍內(nèi)的復合材料都能生產(chǎn),熱壓罐的成形工藝適用范圍如表3- 4所示。
作為復合材料制件主要生產(chǎn)設備的熱壓罐，是一個具有整體加熱系統(tǒng)的大型壓力容器。典型熱壓罐的結(jié)構(gòu)如圖3一18所示。其常見的結(jié)構(gòu)是一端封閉 ,另-端開i ]的圓柱體,為復合材料制件的壓實和固化提供必要的熱量和壓力，常用的航空熱固性材料(例如高溫固化環(huán)氧樹脂)的固化溫度為175°C ,固化壓力為600kPa，因此必須保證熱壓罐在高溫下足夠堅固,這使得熱:壓罐的制造相當昂貴。目前而言，航空應用的大多數(shù)是中等溫度和壓力。同時，還有一些復合材料成形要求的壓力和溫度更高, 例如,先進的熱塑性基體復合材料(如PEEK，PEI等)和高溫熱固性復合材料(如聚酰亞胺PMR一15等 )要求溫度在300 ~ 400°C之間、壓力在1MPa以上,例如圖3- 19中LP一 15聚酰亞胺復合材料(北京航空材料研究院材料產(chǎn)品牌號)固化壓力和溫度就比較高。針對這種情況,需要建造特殊的熱壓罐,成本會相當高。
熱壓罐按固化溫度和壓力可以分為普通型和高溫、高壓型。高溫、高壓型熱壓罐比普通型熱壓罐的制造成本高很多,主要用于制造聚酰亞胺樹脂以及熱塑性復合材料結(jié)構(gòu)。熱壓罐由罐體系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、鼓風系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及架等組成,如表3- 2所示。
熱壓罐成型的主要特點3—3
溫度和壓力通常由所采用的材料體系決定,在成形熱固性復合材料時，需要高溫來降低樹脂黏度和弓|發(fā)樹脂的固化反應，而壓力是用來將不同的鋪層壓合起來并抑制空隙的產(chǎn)生。對于熱塑性復合材料而言，這些一般要求同樣存在，只不過樹脂在成形過程中不發(fā)生化學反應。熱壓罐的另一優(yōu)點是它對復合材料制件的加壓靈活性強。通常制件鋪放在模具的一面，然后裝入真空袋中，施加壓力到制件上使其緊貼在模具上，制件上的壓力通過袋內(nèi)抽真空而進一步被加強。因此，熱壓罐成形技術可以生產(chǎn)不同外型的復合材料制件。由于這個優(yōu)點，熱壓罐被廣泛應用于航空航天先進復合材料制件的生產(chǎn)。然而，因為熱壓罐對尺寸、溫度、壓力的要求很高,所以其制造成本相當昂貴。例如,直徑D=1m，長度L =2m的熱壓罐的制造成本通常可達00000美元，另外，其輔助設備,如空氣或氨氣管道，冷卻管道、加熱爐和監(jiān)測設備也將增加其成本。大型工業(yè)熱壓罐和輔助設備總成本約100萬元。熱壓罐成形工藝的高昂的制造成本已經(jīng)引|起了人們的極大關注，力求改善這種工藝方法。
熱壓罐的另一缺點是溫度和壓力響應遲緩 ,及其溫度 控制精度差。當然，這些問題在某種程度上還與熱壓罐的大尺寸及加熱加壓方法有關。然而很多已經(jīng)被航空設備應用的材料的固化周期很長，一般在數(shù)小時范圍內(nèi)。因此，一般大型熱壓罐緩慢的加熱、 冷卻速率并不會嚴重影響這些材料的加工。另-方面,溫度的控制可以通過改善內(nèi)部空氣循環(huán)系統(tǒng)以及溫度傳感和控制器來進行改進。勵的施加與溫度的控制也是相關的, 因為加熱氣體使其溫度升高時, 壓力也會增加。此外，通常熱壓罐的主要加壓介質(zhì)是氮氣,有時也用空氣。但由于空氣有自燃的危險,所以它只用于低溫固化體系。上述兩種加壓介質(zhì)都要求能被壓縮，而且熱壓罐的體積很大,所以使得加壓速度相對較慢。
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