1概述

    　碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有優(yōu)異的機(jī)械性能和物理性能，是應(yīng)用于航空、航天、兵器、電子等領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材料。CFRP桿、管結(jié)構(gòu)是組成復(fù)合材料構(gòu)架的一種典型單元，是航空、航天器結(jié)構(gòu)中常用的結(jié)構(gòu)組件。如空間的桁架結(jié)構(gòu)常用CFRP管和鈦合金制造，地球同步軌道衛(wèi)星上的小發(fā)動(dòng)機(jī)支架用圓管支撐，大型衛(wèi)星天線(xiàn)的支撐桿大多采用CFRP圓管或方管。某天線(xiàn)的大型復(fù)合材料彎曲撐桿難以采用常用復(fù)合材料管的成型工藝。根據(jù)其特點(diǎn)及要求，經(jīng)研究采用預(yù)浸料鋪層——熱壓罐固化工藝，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)、吸膠工藝及熱縮工藝研究，解決了CFRP彎曲桿件的成型和表面質(zhì)量問(wèn)題。

2成型工藝

   　 CFRP管常用的成型工藝有手糊法、卷管法、纖維纏繞法、預(yù)浸布鋪層法等。其中最典型的工藝是纖維纏繞法，在玻璃鋼管道、釣魚(yú)竿等制造業(yè)中常用。大型復(fù)合材料彎曲撐桿，長(zhǎng)度約2m，圓弧半徑約3m。截面為漸變圓形，大端直徑40mm，小端直徑20mm。由于其結(jié)構(gòu)為非軸對(duì)稱(chēng)形狀，如采用纖維纏繞工藝，不僅難度很大，而且纏繞成型后的彎曲撐桿粗糙表面難以加工成光滑表面。其它新型工藝如熱膨脹芯模法，對(duì)彎曲撐桿脫模困難。預(yù)浸料手工鋪層——熱壓罐工藝一般適用于板件成型，用于制造管件的表面質(zhì)量存在嚴(yán)重缺陷，需采取相應(yīng)的工藝措施。

    　經(jīng)研究確定采用熱縮工藝，其基本原理是采用熱縮材料的熱縮特性對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行擠壓，同時(shí)熱縮材料抵御輔助封裝材料的皺折對(duì)復(fù)合材料制件的影響。

  　  首先在剛性芯模外面按材料設(shè)計(jì)的鋪層數(shù)、鋪層順序鋪放、纏繞碳纖維預(yù)浸料，然后進(jìn)行預(yù)吸膠。吸膠后去除吸膠材料，直接在預(yù)浸料疊層上加經(jīng)過(guò)表面處理過(guò)的熱縮套管，在一定工藝條件下進(jìn)行熱縮。熱縮完成后再將其封裝進(jìn)熱壓罐固化。最后脫模，剝離熱縮管，得到制品。 其中主要對(duì)彎曲芯模的鋪層方式、封裝工藝、預(yù)吸膠工藝等進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。

3關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1鋪層設(shè)計(jì)

    　鋪層設(shè)計(jì)包括鋪層的層數(shù)、鋪層角度、鋪層順序的設(shè)計(jì)。鋪層設(shè)計(jì)決定了復(fù)合材料的各項(xiàng)性能。在制件的設(shè)計(jì)中，主要考慮支撐桿軸向的“零”膨脹系數(shù)要求，并兼顧其強(qiáng)度?？紤]到工程設(shè)計(jì)和制造的實(shí)用性，鋪層方向分為軸向和沿管子周向兩種。因?yàn)閺?fù)合材料是各向異性十分突出的材料，其優(yōu)異的物理、力學(xué)性能都集中在碳纖維的軸向。碳纖維在軸向和其徑向的線(xiàn)膨脹系數(shù)分別為-0.3×10-6K-1、12×10-6K-1，通過(guò)不同的鋪層比例設(shè)計(jì)可獲得“零”膨脹系數(shù)［1］。在計(jì)算中因基體樹(shù)脂為各向同性材料，忽略了基體樹(shù)脂的膨脹變形。計(jì)算結(jié)果，當(dāng)軸向纖維和徑向纖維的鋪層數(shù)比例為3∶2時(shí)，可使復(fù)合材料在軸向達(dá)到“零”膨脹系數(shù)要求。綜合考慮復(fù)合材料桿的強(qiáng)度及鋪層工藝性能要求，確定了鋪層順序。
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　　3.2表面質(zhì)量分析

    　預(yù)浸料鋪層——袋壓工藝成型的管件表面缺陷主要有皺折、條紋及富膠等。復(fù)合材料圓管在鋪層時(shí)，不可能施加足夠的張力壓緊預(yù)浸料疊層塊，鋪層的復(fù)合材料相對(duì)較松散，厚度也較制成品厚。在成型工藝時(shí)，需要加壓以壓緊各層復(fù)合材料并使多余的樹(shù)脂流出。這時(shí)將產(chǎn)生兩個(gè)收縮。其一，復(fù)合材料疊層塊被壓緊，厚度變薄，外徑變小，周長(zhǎng)也相應(yīng)減少，沿環(huán)向的纖維必然松弛，纖維被壓彎曲、打折。其二，成型中在預(yù)浸料疊層塊毛坯上使用的輔助材料，如透氣氈和真空袋裝壓縮時(shí)形成皺折和條紋，固化后壓印在復(fù)合材料表面上形成皺折。這兩種因素互相影響，綜合作用，形成了CFRP桿的表面缺陷。基于以上分析，必須從兩方面著手解決問(wèn)題。一是設(shè)法盡量在鋪層時(shí)壓實(shí)復(fù)合材料疊層，二是采取措施消除輔助材料皺折對(duì)復(fù)合材料表面的影響。采取了兩項(xiàng)措施：熱縮工藝和預(yù)吸膠工藝。

　　3.3熱縮工藝

    　熱縮工藝是采用熱縮管的熱縮特性對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行均壓。熱收縮材料。熱縮管在加熱時(shí)，樹(shù)脂軟化，而熱縮管達(dá)到收縮溫度發(fā)生收縮變形，口徑均勻縮小并壓實(shí)復(fù)合材料疊層塊。在高溫下固化時(shí)，熱縮材料能有效地傳遞熱壓罐的壓力，并均勻地消除真空袋及透氣氈的皺折對(duì)復(fù)合材料的影響。熱縮工藝是指在一定溫度下使熱縮套管收縮完成、壓緊的過(guò)程。熱縮工藝的重要參數(shù)是加熱溫度和時(shí)間。在確定熱縮工藝時(shí)以熱縮材料的收縮性能為根據(jù)，并充分考慮模具的熱容滯后因素，對(duì)具體的復(fù)合材料制件靈活運(yùn)用。熱縮材料的熱縮方式有用酒精噴燈、加熱槍及電吹風(fēng)加熱，也可置于烘箱加熱。針對(duì)復(fù)合材料成型工藝的特點(diǎn)，要求加熱溫度低，時(shí)間盡可能短，盡量減少對(duì)樹(shù)脂體系凝膠性能的影響。完成收縮后取出迅速冷卻。

　　3.4預(yù)吸膠工藝

    　預(yù)吸膠工藝配合熱縮工藝使用，又稱(chēng)預(yù)壓實(shí)工藝。預(yù)吸膠是指在固化前，在一定的壓力和溫度等工藝條件下從復(fù)合材料疊層塊吸出一定量的樹(shù)脂，對(duì)復(fù)合材料的樹(shù)脂含量進(jìn)行控制。這樣既壓緊了預(yù)浸料疊層，又免除了在固化時(shí)熱縮管和預(yù)浸料疊層之間的吸膠材料。熱縮管和預(yù)浸料疊層之間直接接觸。熱縮管的內(nèi)壁狀態(tài)反映于復(fù)合材料管的表面，以達(dá)到表面光滑、平整的最佳效果。預(yù)吸膠工藝的主要參數(shù)為溫度、恒溫時(shí)間、壓力。制定合理的工藝，既要完成吸膠的任務(wù)，達(dá)到壓實(shí)的目的，又要盡量減少對(duì)復(fù)合材料樹(shù)脂凝膠性能的影響。
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4應(yīng)用結(jié)果

    　大量應(yīng)用后表明，對(duì)手工鋪層、熱壓罐固化工藝制造的復(fù)合材料彎曲桿，采用該措施后效果明顯。在加熱固化中熱縮管收縮均勻一致，內(nèi)壁平整，有效地消除了透氣氈、真空袋等輔助材料收縮時(shí)形成皺折和條紋，固化后復(fù)合材料表面無(wú)皺折，光滑平整。