碳纖維復(fù)合材料C形結(jié)構(gòu)熱隔膜成型工藝

   
       采用自行設(shè)計(jì)的熱隔膜成型工藝實(shí)驗(yàn)裝置，制備了C形結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料預(yù)成型體，測試了成型過程中預(yù)成型體和模具溫度的變化規(guī)律，并考察了成型溫度、預(yù)成型體尺寸對C形預(yù)成型體表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷的影響。結(jié)果表明：熱隔膜成型過程中，采用模具預(yù)熱的方法與紅外燈輻射相配合，可保證預(yù)浸料溫度的分布均勻性；成型溫度過低時，預(yù)浸料粘性大、層間滑移能力差，導(dǎo)致預(yù)成型體拐角處出現(xiàn)纖維褶皺，并且內(nèi)部孔隙偏多；預(yù)成型體的外形尺寸與模具尺寸接近，則預(yù)成型體易受隔膜架橋、變形量過大影響而出現(xiàn)翹曲等缺陷，因此預(yù)成型體與模具之間的尺寸比例應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

       傳統(tǒng)的預(yù)浸料／熱壓罐工藝主要采用手工鋪疊的方式得到與制件結(jié)構(gòu)相近的預(yù)成型體，然后采用熱壓罐固化。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用及其構(gòu)件日趨大型化、復(fù)雜化，手工鋪疊工藝的生產(chǎn)效率低、成型質(zhì)量不穩(wěn)定等問題愈加突出，使得復(fù)合材料制件的自動鋪疊技術(shù)迅速發(fā)展。為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，保證預(yù)成型質(zhì)量，熱隔膜成型工藝應(yīng)運(yùn)而生。該工藝將手工鋪疊或自動鋪帶工藝鋪疊的預(yù)浸料平板置于兩層延展性較高的隔膜間，并整體轉(zhuǎn)移到熱隔膜機(jī)上，利用真空負(fù)壓和紅外加熱作用將平板壓制成復(fù)雜形狀的預(yù)成型體，其生產(chǎn)速度快、成型質(zhì)量高、穩(wěn)定性好。該工藝最早應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料，目前主要用于熱固性復(fù)合材料的制備，例如，熱隔模成型工藝已成功應(yīng)用于波音777長桁、V22長桁和A400M機(jī)翼前梁等大型構(gòu)件的生產(chǎn)[2-4]，已經(jīng)成為一種重要的低成本制造技術(shù)。

       國外學(xué)者對熱隔膜成型工藝進(jìn)行了大量研究。Krebs[5]和Mallon等人針對碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料，研究了熱隔膜成型過程中模具、成型過程壓力和溫度、制件大小、層板厚度及鋪層方式等因素對成型質(zhì)量的影響。Pantelakis等人研究了熱隔膜成型工藝的優(yōu)化方法。Gutowski[81和Bersee等人研究了隔膜材料對成型熱塑性復(fù)合材料的影響。Labeas等人[IO]利用有限元方法模擬了熱隔膜成型過程中紅外輻射預(yù)熱階段熱塑性層板溫度的變化情況。以上研究都是針對熱塑性復(fù)合材料，對熱固性復(fù)合材料熱隔膜工藝的研究報道很少。而在國內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)尚處于開發(fā)試驗(yàn)階段，缺乏相關(guān)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)研究。

       本文采用自行設(shè)計(jì)搭建的熱隔膜成型工藝實(shí)驗(yàn)裝置制備了C形碳纖維／環(huán)氧預(yù)浸料預(yù)成型體，測試分析了成型過程中溫度分布及變化規(guī)律，考察了成型溫度和預(yù)成型體尺寸對預(yù)成型體成型質(zhì)量的影響。研究結(jié)果為熱隔膜成型工藝在我國的工程化應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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