复合材料先进制造技术分析

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1、复合材料先进制造技术分析复合材料已成为与钛合金、铝合金、合金钢并驾齐驱的四大航空结构材料之一（在B787结构上的用量达总重的50%，A350XWB结构上的用量达总重的52%[1]），其中应用最为广泛的仍然是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等高性能纤维增强的先进树脂基复合材料（以下简称先进复合材料）。基于先进复合材料的反应特性和满足先进复合材料构件内部质量的特定需求，在先进复合材料构件成型过程中，需要加热、加压和抽真空等外在工艺条件。先进复合材料特别突出的成型特点就是材料成型和构件成型最终同时完成，这就决定了先进复合材料构件的形位精度主要依靠模具工

2、装来保证，而且模具材料和模具结构必须满足易于传热、传压和真空完整性好等要求，随着市场对先进复合材料产品质量、性能、成本、周期等要求的不断提高，促进了先进复合材料工艺技术及其模具和工装技术不断创新发展[1]。1模具设计与制造技术在CAD技术发展的推动下，复合材料成型模具和工装广泛采用数字化设计技术，许多常用的结构采用模块化和参数化设计，以提高设计效率。复合材料模具与常规钣金成型模具的不同之处在于：对累积公差的要求更加严格；模具与零件贴合面尺寸的差异取决于模具的类型和热膨胀特性；复合材料零件的最后尺寸是基体最高固化温度下的尺寸[1]。在进行模具设计时，

3、重点要考虑热匹配问题，钢和铝的热膨胀系数比大多数碳/石墨复合材料约大出一个数量级，当从固化峰值温度向下冷却时，金属模具的收缩会在构件中引起严重的残余应变或固有应变。在进行模具设计时，如果不能通过尺寸修正，则需要使用热膨胀系数较低的复合材料模具。对于简单的角度回弹问题，在模具设计时，预先把回弹角考虑进去，即制件夹角加上回弹角等于模具的角度，使制件脱模回弹后符合工艺数模要求。对于复杂的制件，采用CAE技术模拟分析模具和工装的结构刚度、热膨胀、温度场分布等效果，为模具温度补偿和回弹修正设计提供依据[2]。1.1基于成型工艺条件的模具无论是先进热固性树脂基

4、复合材料，还是先进热塑性树脂基复合材料，其成型过程都需要施加外界压力的压实过程，以排出构件中的空气、压实空隙并实现增强纤维的均匀分布。施加外界压力有几种工艺方式：（1）构件的一面为刚性模具，另一面为依赖气体或液体传压的弹性模具（例如传统热压罐工艺，见图1）或依赖机械传压的刚性模具（例如传统模压工艺，见图2），这是最常用的方式；（2）以热胀材料为芯模，刚性材料为阴模，构件置于芯模和阴模之间，这种方式用于DC-10飞机方向舵后上段和海豚直升机的水平尾翼；（3）以热膨胀系数高的材料为芯模，热膨胀系数低的材料为阴模，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和阴模

5、之间；（4）以刚性材料为芯模，热收缩材料为包覆袋，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和包覆袋之间。图1传统热压罐工艺图2传统模压工艺示意图不管是热固性树脂基复合材料固化，还是热塑性树脂基复合材料熔化，都需要加热以达到合适的成型温度。复合材料构件的成型模具应当满足加热构件的升温效率和构件温度场分布的均匀性，这种模具按加热方式来划分有几种结构形式：（1）以加热的空气或者惰性气体为传热载体，对“蛋框式”模具加热（以对流换热方式为主，温度较高时热辐射占的份额也比较大），（2）把热电阻和循环水管直接埋入成型模具中，传热方式以热传导为主[3]。降低先进复合材料

6、构件的空隙率，需要提供合适的真空度工艺条件。目前工程上提供真空的方式大致有：（1）用腻子密封好的一次性使用真空袋连接真空贮气罐，贮气罐与真空泵相连或者真空袋与真空泵直接相连；（2）用可多次重复使用的真空袋连接真空贮气罐，贮气罐与真空泵相连或者真空袋与真空泵直接相连，如图3所示。图3复合材料真空袋1.2基于构件成型质量的模具在先进复合材料构件的成型过程中，如果模具材料与复合材料的热膨胀系数不匹配，就会对构件的成型质量产生明显影响。第一，成型过程要经历升温、保温和降温阶段，复合材料与模具热膨胀系数不匹配会使构件与模具接触区域由于摩擦力而产生固化变形。第

7、二，在降温过程中模具比复合材料构件收缩量大很多，带有型面的构件会在制造过程中产生损伤。第三，在升温过程中，复合材料构件尺寸随着模具的热膨胀而变化；在保温过程中，复合材料构件尺寸变化比较小；在降温过程中，复合材料构件尺寸随着模具的热收缩而变化；在整个热历程中，如果模具材料与复合材料的热膨胀系数不匹配，复合材料构件的尺寸偏差会比较大。因此，先进复合材料构件（特别是大型、复杂构件）成型模具应尽可能选用热膨胀系数与复合材料相近的材料，如殷钢、碳泡沫、碳毡等[4]。1.3模具结构形式复合材料成型工艺方法较多，相应的模具结构形式多种多样，先进复合材料成型模具结

8、构形式主要分为如下几类：（1）框架式模具为了增强模模具局部和整体刚度，提高模具型面加热效率，减少模具变形，采用隔栅结构，设