复合材料构件热压罐成型温度场研究

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1、复合材料构件制造MANUFACTURlNGOFCOMPOS兀。ECOMPONENT杨云仙。刘军。周敏。戚经革(中国商飞上海飞机制造有限公司，上海201325)【摘要】在热压罐固化工艺的热历程中，复合材料零件表面温度场分布的合理与否将直接决定产品的固化质量。以工字型零件和T型加筋壁板两种复合材料零件为研究对象，使用EC一3X8M和SCH一5．5×21M两种型号热压罐，同时选择炉温偶和零件偶两种控温方式对零件进行固化。通过分析温度场测试结果发现。控温方式、设备加热方式、升降温速率、热电偶的摆放位置、固化压力等因素均对零件的温度场有影响。关键词：复合材料；热压罐

2、成型；控温方式；温度场Dol：10．16080／j．is如1671—833x．2016．15．082栖云仙工程■．研究方向为先进复合材料翻造工艺。先进复合材料在航空航天领域用量比例逐渐增多，热压罐成型工艺作为目前制造纤维增强树脂基复合材料零件的主要方法，固化过程中的温度场分布是非常重要的工艺控制因素。复合材料固化使用的热压罐设82M空．III造技术·2016年第ls期备，升温时均以电热阻丝为加热源，以流体介质(主要为氮气)作为传热载体，以风机作为动力，完成对模具循环加热过程，降温时通过循环水带走热量。温度比较高时，热压罐罐壁蓄热比较大，无论是升温过程还是降

3、温过程在罐壁和框架式模具问都会发生热辐射。固化热历程中，热交换的传递方式包括热传导、热对流、热辐射3种。由于目前航空复合材料零件固化温度大部分在200。C以下，在热压罐成型工艺中热辐射的影响比较小，传热方式主要以强迫对流换热和热传导为主。热压罐工艺成型时热源有两个：一个是电热源(热阻@诬夏卜—垫篷箩热辐射二)嚯翼亟固．．竺鬈蒸锱毋、流换热r。名流汐对滚疾凑、吖]i野贬*r玎写珏1y／对流换热丝)，另一个是内热源(先进树脂基复合材料固化放热)，升降温过程热量传递路径如图l所示Il】。先进复合材料构件固化过程中的温度场属于外部温度场与内部固化反应放热的耦合温度

4、场[2-41。复合材料零件在热压罐成型过程中不直接与罐内流体介质接触，但是成型模具对其温度场的影响作用远远大于辅助材料的影响，所以可以认为外温度场对零件的作用主要是通过模具来传递的。目前固化成型模具多为框架式结构，实际固化过程中模具不同位置温差也不同，导致与零件接触的模具型面温度场也在不la)升温时(b)降温时圈1热压簟工艺热量传递路径F哂．1RouteofheattransferinautocalveprocessMANUF-ACTURINGOFCOMPOSITECOMPONENT复合材料构件制造断变化，造成复合材料零件各部位的温度场分布不均匀，固化不同

5、步，最终影响产品质量。因此，研究复合材料零件固化过程中的温度场，对改进工艺条件、提高产品质量具有重要意义。在成型工艺过程中，有效控制固化成型的温度场，使零件的温度场在时间和空间上得到合理分布，可以避免复合材料产品在固化过程中的不完全固化。目前解决零件不完全固化的方法是根据现有工艺规范的要求，首先对同类型的新零件和新模具进行热分布测试，然后在所有的热电偶中选出零件的领先热电偶和滞后热电偶(一般用模具滞后热电偶代替零件滞后热电偶)。本文以工字型零件和T型加筋壁板两种复合材料零件为研究对象，同时使用国内先进复合材料制造常用的EC一3×8M和SCH一5．5×21M

6、两种不同型号的热压罐设备，采用两种控温方式，通过分析零件成型过程中温度场测试结果，最终得出复合材料零件固化工艺过程中温度场影响因素。试验内容1设备参数选用EC一3X8M和SCH一5．5X21M两种型号的热压罐设备，流体介质为氮气，均以美国波音以及国际标准为验收依据，设备温度均匀性(±2℃)和升降温速率性能(o～4．4℃可调)均满足使用要求。1．1EC一3×8M热压罐EC一3X8M型号热压罐有效工作尺寸为西3m×8m(图2)，流体介质为氮气。与传统热压罐的加热方式不同，采用地板固定式加热器和冷却器，同时在罐门和罐尾两端用气流调整面板以改善热循环气流，加强了罐

7、内从前到后的直线气流作用，达到罐内温度均匀性要求，同时也避免了罐体前后部分的加热死区，有效地利用了罐内空间。1．2SCH一5．5X21M热压罐SCH一5．5X21M热压罐有效工作尺寸为西5．5mX21m(图3)，流体介质为氮气。该热压罐采用尾部电加热，结合主冷和独有的预冷技术，同时利用风机实现固化过程中对罐内温度场的要求。2固化工艺本文均选用工字型零件和T型加筋壁板两种零件，材料为碳纤维／环氧树脂预浸料，分别采用炉温偶和零件偶两种控温方式固化，具体固化工艺条件如下。2．1工字型零件选用EC一3×8M型号热压罐。(1)炉温偶控温，压力620kPa的条件下，以

8、升温速率≤1．5℃／min升温至1300C，以≤2qC／min继续