复合材料结构件固化成型工艺参数控制

摘 要：复合材料在实际应用中具有良好的耐疲劳强度、耐高低温等特性，并且强度高、重量轻，在航天飞行器中应用广泛。和普通金属材料相比，复合材料结构件固化成型工艺便于加工、操作、拆卸和组装，通过合理控制复合材料结构件固化成型工艺，可有效提高结构件质量和使用性能。本文首先对复合材料结构件做了概述，分析了复合材料结构件固化成型工艺。在探讨复合材料结构件固化成型工艺的基础上，研究了其整体固化成型工艺参数控制。

关键词：复合材料结构件；固化成型；工艺参数；控制

随着复合材料结构件的应用范围越来越广泛，其固化成型工艺要求越来越高，研究其参数控制凸显出重要意义。作为一向实际应用效果良好的结构件，复合材料结构件得到了长足的发展和进步。该项课题的研究，将会更好地提升其实践水平，从而有效优化复合材料结构件的整体水平。

1 复合材料结构件概述

复合材料结构件具有较高的耐腐性、刚度、强度等优势，在航空领域发挥着非常重要的作用，如飞机承力结构件、方向舵、垂直和水平尾翼、舱门、阻力板、发动机机罩等都采用了复合材料结构件[1]。同时，飞行器利用复合材料结构件的可设计性和良好物理性能，有效降低了生产成本，使整个飞机结构减轻了20～40%的重量，而复合材料结构件的应用状态对于整个飞行器运行状态有着重要影响，其应用部位和材料用量是评价一个飞行器结构科学、合理的重要指标。另一方面，应注意复合材料结构件的一些缺点，在操作使用或者维护不合理的情况下，受到弹伤、雷击、鸟撞等因素影响，复合材料结构件易发生断裂、破孔、裂纹、缺口、分层等缺陷，在一定程度上影响飞机的动态和静态运行性能。

2 复合材料结构件固化成型工艺

（1）手糊。手糊固化成型工艺适用于形状结构复杂、面积较大的复合材料结构件，其主要是按照标准的铺层方法，将浸润在胶水中的胶布分层糊在模具上，然后进行加热固化，这种固化成型工艺的操作使用方法比较简单，但是效率较低；（2）缠绕。缠绕固化成型工艺适用于方管、锥管、圆管等结构件中，在缠绕机上放上芯模，将结构件缠绕成型以后，然后进行加热固化，最后将芯模取出，加工成制品；（3）模压。模压适用于质量要求高、尺寸小、形状结构复杂的复合材料结构件，在专用模具中将预浸料填充密实，结合进行合模，采用标准加工工艺，最后加热固化。

3 复合材料结构件固化成型工艺参数控制研究

复合材料结构件固化成型工艺参数控制主要包括保温时间、升降温速度、压力、温度等。固化成型工艺从本质上是一个对复合材料结构件加压、加热的过程，使纤维和热固性树脂相结合，从而形成复合材料结构件。因此，固化成型工艺参数控制对于复合材料结构件质量有着直接的影响。

（1）热压机压力、温度和操作控制。在使用热压机过程中，应结合实践经验和具体情况，严格控制热压机运行工艺参数，在加热过程中，下层和上层加热板温度应明显高于中间层加热板温度，结合复合材料结构件的形状、结构和设计要求，合理把握热压机加热时间。对于复合材料的碳纤维制品，在使用固化工艺时，按照工艺参数要求，当碳纤维制品温度达到130摄氏度时再进行一次加固，但是在实际操作应用中，在碳纤维制品温度达到120摄氏度时必须增加5MPa压力，否则碳纤维制品一旦形成胶凝态，再加压已经没有效果。同时，结合不同季节的温度变化，合理控制模具温度和加热板温度之间的温差，夏季应尽量减小温差，冬季应尽量增大温差[2]；（2）烘箱温度控制。复合材料结构件放入烘箱中进行固化成型工艺，会经历两个温度折点，如图1所示，因此在进行固化成型工艺之前，应先了解工艺流程，在保温阶段应保温，在加热阶段应加热，特别注意在温度折点附近时，严禁超温，保障复合材料机构件质量。

在操作过程中，当模具温度低于烘箱温度15摄氏度时不再加温，这时到达第一个转折点，当模具温度逐渐上升，至折点还差4摄氏度时，将烘箱温度调节到115摄氏度，使复合材料结构在第一个转折点周围保持恒温，然后适当延长保温时间，在到达第二个转折点时，持续保温2h，当模具温度达到155摄氏度时，烘箱温度下降到167摄氏度，当磨具温度达到158摄氏度时，烘箱温度调节到162摄氏度，在整个固化成型工艺中，规范记录复合材料结合件温度。另外，还应注意真空泵冷却用循环水水压控制情况[3]，在固化成型操作过程中，冷却真空泵持续通过循环水，确保江循环水水压的稳定正常。

3.3 热压罐压力、温度控制

在外加压、抽真空状态下，热压罐可在短时间内将罐中的温度调整均匀，在必要情况下，热压罐还可强制降温，有效加快固化成型速度，提高复合材料结构件质量。使用热压罐对复合材料结构件进行固化成型，应严格控制加外压和卸掉真空的时间，时间过晚或者过早都会影响结构件质量，对热压罐抽真空可快速抽出低分子气体和挥发物。加外压主要是在胶凝状态下树脂相变，加压时间过早，会导致树脂流失，使得复合材料结构件贫胶[4]，加压时间过晚，复合材料结构件内部会呈现疏松状态，产生气泡或者孔隙，因此应衔接好加外压和卸真空操作。

4 结语

复合材料结构件作为一种新型的材料产品，在航天航空领域发挥着重要作用，固化成型工艺是保障复合材料结构件质量的关键环节，应结合复合材料结构件的实际特性和加工要求，采用合适的固化成型方法，严格控制固化成型工艺参数，规范热压机、烘箱和热压罐的操作使用，不断提高复合材料结构件质量，在未来发展过程中，应继续加大对复合材料结构件固化成型工艺的研究，推动复合材料结构件在更多领域的应用。

参考文献：

[1]杨德桐.复合材料结构件固化成工艺操作及控制[J].航天返回与遥感，2013（02）：53-57.

[2]杨德桐.复合材料结构件固化成型工艺参数控制[J].航天制造技术，2012（05）：10-13.

[3]陈晓静.复合材料构件固化成型的变形预测与补偿[D].南京航空航天大学，2011.

[4]黄其忠，任明法，陈浩然.复合材料网格结构软模共固化成型工艺数值仿真[J].复合材料学报，2010（01）：25-31.

作者简介：童方超，研究方向：材料成型及控制工程。