热压罐成型复合材料固化变形机理及控制研究.pdf

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1、·４１０·材料导报２０１２年１１月第２６卷专辑２０热压罐成型复合材料固化变形机理及控制研究程文礼，邱启艳，陈静（中航工业北京航空制造工程研究所，北京１０００２４）摘要复合材料零件固化变形是多种因素综合作用的结果，如何优化结构及制造工艺以降低固化变形是许多科研工作者长期研究的课题。根据过程诱导应力和变形产生机理可将影响固化变形的因素分为热应力、固化收缩应力、温度梯度与树脂固化度、压力分布和树脂流动、模具与零件的相互作用等。分别介绍了这几种因素导致固化变形的机理，同时阐述了目前固化变形控制的研究进展。关键词复合材料热压罐成型固化变形

2、机理回弹模具ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＣｕｒｅ－ｉｎｄｕｃｅｄＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎＡｕｔｏｃｌａｖｅＰｒｏｃｅｓｓＣＨＥＮＧＷｅｎｌｉ，ＱＩＵＱｉｙａｎ，ＣＨＥＮＪｉｎｇ（ＡＶＩＣＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２４）ＡｂｓｔｒａｃｔＣｕｒｅ－ｉｎｄｕｃｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｆｆｅｃｔｏｆｍｕｌｔ

3、ｉｐｌｅｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ａｎｄｈｏｗｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｓｕｂｊｅｃｔｆｏｒｍａｎｙｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓｔｏｓｔｕｄｙｆｏｒｙｅａｒｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ－ｉｎｄｕｃｅｄｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅｃｕｒｉｎｇｄｅ－ｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｎｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓ

4、ｓ，ｃｕｒｉｎｇｓｈｒｉｎｋａｇｅｓｔｒｅｓｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔａｎｄｄｅｇｒｅｅｏｆｃｕｒｅ，ｐｒｅ－ｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｉｎｆｌｏｗ，ｔｏｏｌ－ｐａｒｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｕｒｅ－ｉｎｄｕｃｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｓｅｔｙｐｅｓｏｆｆａｃ－ｔｏｒｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ａｕｔｏｃｌａｖｅｐｒｏｃｅ

5、ｓｓ，ｃｕｒｅ－ｉｎｄｕｃｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｓｐｒｉｎｇ－ｉｎ，ｍｏｌｄ复合材料结构在经历高温固化成型及冷却过程后，由于材料，尤其针对大型结构，不能从根本上解决问题。低成本材料的热胀冷缩效应、基体树脂的化学收缩效应以及复合材解决变形问题的关键在于建立一套完整的变形分析和预测料与成型所用模具材料在热膨胀系数上的显著差异，导致结的方法。通过数据积累和有限元软件对固化过程进行模拟构在固化过程中存在残余应力，脱模后在室温下的自由形状预测、优化设计，从而控制固化变形。本文主要分析导致复与预期的理想形状之间会产

6、生一定程度的不一致，通常将这合材料零件变形因素的机理，并对控制变形的工艺方法进行种不一致状态称为构件的固化变形［１］。热固性树脂在固化综述，对深入展开复合材料零件固化变形控制研究有一定的借鉴作用。过程中的物理状态分为３个阶段：粘流态、橡胶态、玻璃态，如图１（ａ）所示。其中，Ⅰ为粘流态，Ⅱ为橡胶态，Ⅲ为玻璃１影响固化变形的因素与机理分析态。凝胶之前是粘流态，此时模量很低，也没有残余应力，随１．１热应力着温度升高，树脂进行交联反应，达到凝胶温度以后，树脂基由于复合材料铺层在不同主轴方向，具有不同的热膨胀体从最初的粘流态变成橡胶态，随

7、反应的继续进行，基体模系数，导致材料具有各向异性的热膨胀特征，一般横向热膨量逐渐增大，但变形的松弛时间较短，不易产生残余应力，当胀要远远大于轴向热膨胀，而横向刚度则远远小于轴向刚完全固化后，其状态由橡胶态变为玻璃态，此时模量增大，松度。因此，温度改变引起的每层的热膨胀与铺层方式关系密弛时间变长，主要的残余应力和应变是从最终固化温度降到切。图２为铺层不对称导致的变形，材料体系为ＣＦ／ＥＰ。室温时产生的。树脂固化过程中模量与固化时间的关系见对于曲率零件，即使采用对称铺层，由于面内以纤维受图１（ｂ）。力为主，厚度方向以树脂为主，成形过

8、程中材料因温度变化根据过程诱导应力和变形产生的机理可将影响固化变产生的应变在各方向并不一致（径向应变εｒ大于周向应变形的因素分为热应力、固化收缩应力、温度梯度与树脂固化εθ），这一差异将导致复合材料结构件的一种重要固化变形现度、压力分布和树脂流动、模具与零件的相