复合材料制备技术讲义(5)－热压罐成型实例

复 合 材 料成 型 与 加 工 技 术第5章 热压罐制备技术及实例 热压罐(Hot Air Autoclave或简写Autoclave)，是大型复合材料车间的专用工艺设备，为圆筒形的卧式压力容器，在材料成型时，利用罐内同时提供的均匀温度和均布压力使复合材料固化，因为使用这种设备进行复合材料制品成型的方法叫热压罐法。5.1 热压罐成型技术5.2 热压罐结构分三大部分：机械部分、功能部分、控制部分。v机械部分包括罐体、底板与小车、气流控制装置、密封装置等；v功能部分包括加热、加压、抽真空及冷却系统；v控制部分包括温度、压力的手动和自动控制系统；罐体：为圆筒形压力容器，封头采用压制成型，筒身采用钢板卷筒焊制。筒身由内外筒组成，加热与冷却装置安装在内外筒之间。罐体内装有风机，使空气通过内外筒涵道强制循环流动。内筒焊有底板，上置轨道和小车，制品可由小车进出罐体。加热装置：采用电加热和空气加热。电加热结构紧凑，方便易控。冷却装置：强制冷却。安全装置：安全保险设备。5.3 热压罐成型复合材料制品的优点v制品表面与内部质量均佳；v大尺寸型面复杂的复合材料构件（受限于热压罐型腔尺寸）；v预浸料铺层，制品质量易控。实例1 复合材料卫星整流罩端头热压罐成型1、整流罩端头的结构特点 卫星整流罩是运载火箭的关键部段之一，其作用是保护有效载荷在运载火箭飞行过程中免受气动加热载荷、热流以及外界环境的影响。端头是卫星整流罩的一部分，其外形是一个球缺体。在运载火箭飞行过程中，端头承受着较大的外压和严重的气动力加热。因此，端头结构既要具有较高的弯曲刚度，又要具有良好的隔热性能以满足卫星整流罩的要求。2、整流罩端头的原材料 增强材料：高性能玻璃纤维织物；树脂基体：酚醛环氧型树脂；含 胶 量：323、端头成型设计方案（1）热压罐成型；（2）阴模铺层；4、预浸料制备（三项质量指标）（1）预浸料含胶量 预浸料含胶量R一般取决于产品含胶量R0和产品固化时所需的流胶量x。预浸胶布含胶量、产品含胶量、流胶量存在下列定量关系：R1（1x）（1R0）一般酚醛环氧型树脂复合材料结构件热压罐固化成型时产品流胶量要求是10一20，产品含胶量是322。通过计算可知预浸胶布含胶量范围是37.0一47.2。即预浸胶布含胶量不能低于37.0。最终确定复合材料端头胶布含胶量范围为37.0一43.0。纵向拉伸含胶量拉伸强度拉伸模量X/MPaCv/%Ex/GPaCv/%36.5614.41.52.733.944.5587.83.62.781.8预浸胶布含胶量对拉伸性能的影响（2）可溶性树脂含量（预固化程度）大于95。（3）挥发分含量 挥发分含量为0.5一2.5项 目质 量 指 标树脂含量（）40 3可溶性树脂含量（）95挥发分含量（）1.5 1.0整流罩端头预浸料的三项质量指标预浸料采用浸胶机制备5、端头铺层数理论计算相同材料、固化工艺条件下，端头复合材料含胶量和单层厚度的实测值序序 号号含胶量含胶量R R0 0/%/%单层厚度单层厚度h h0 0/mm/mm1 127.427.40.12640.12642 228.728.70.12930.12933 329.629.60.13230.13234 429.729.70.13200.13205 531.131.10.13800.13806 631.231.20.13680.13687 732.832.80.14170.14178 833.133.10.14390.14399 933.833.80.14570.1457101035.135.10.14900.1490回归方程：h0=0.306R0+0.042当当R R0 03232时时，则则预预浸浸料料单单层层的的厚厚度度为为0.14mm0.14mm，根根据据端端头头的的壁壁厚厚，可可计计算出整个端头所需的铺层数：算出整个端头所需的铺层数：n nh h0 0/0.14/0.14 6 6、吸胶材料铺层数理论计算、吸胶材料铺层数理论计算 为为了了准准确确控控制制最最终终产产品品的的含含胶胶量量，对对于于不不同同含含胶胶量量的的胶胶布布吸吸胶胶材材料料的的用量是不同的，胶布含胶量越高，所需的吸胶材料用量也越大。用量是不同的，胶布含胶量越高，所需的吸胶材料用量也越大。7、预浸料剪裁和铺层 首首先先在在阴阴模模底底部部中中心心铺铺放放一一块块圆圆胶胶布布块块，然然后后把把若若干干块块球球面面胶胶布布块块沿沿模模具具周周向向依依次次铺铺放放。胶胶布布块块之之间间搭搭接接10一一20mm左左右右。端端头头变变厚厚度度处处用用不不同同尺尺寸寸的的胶胶布布块块铺铺层层，并并做做到到平平滑滑过过渡渡。在在铺铺层层过过程程中中，把把平平面面胶胶布布块块铺铺放放成成球球面面，需需要要在在适适当当位位置置将将胶胶布布块块剪剪开开搭搭接接铺铺层层才才能能贴贴模模。在在目目测测外外观观密密实实无无气气泡泡时时，再再铺铺放放下下一一层层。胶胶布布块块铺铺层层完完毕毕后后，铺铺放放聚聚四四氛氛乙乙烯烯透透气气玻玻璃璃布布作作为为隔隔离离层层，然然后后根根据据要要求求铺铺若若干干层层吸吸胶胶材材料料。最最后后用用密封材料将模具密封。密封材料将模具密封。因为端头是球缺形状，因此预浸料的剪裁形状基本上为圆形。因为端头是球缺形状，因此预浸料的剪裁形状基本上为圆形。8、端头制品固化成型升温速率控制在升温速率控制在0.50.1min范围内。范围内。挥发分的排除采用了在树脂软化时抽真空，以后停止抽真空，挥发分的排除采用了在树脂软化时抽真空，以后停止抽真空，通空气，加一个外压的方法。通空气，加一个外压的方法。产品固化时的加压窗口采用产品固化时的加压窗口采用DSC热分析来确定，同时考虑到固热分析来确定，同时考虑到固化前胶布的受热历程和实际产品的升温速率等因素。化前胶布的受热历程和实际产品的升温速率等因素。实例2 长征4号复合材料火箭仪器舱热压罐成型1 1、仪器舱的结构形式及特点、仪器舱的结构形式及特点整体采用碳纤维面板铝蜂窝夹层结构；整体采用碳纤维面板铝蜂窝夹层结构；前前后后端端面面为为铝铝合合金金端端框框，前前端端面面与与卫卫星星支支架架相相连连、后后端端面面与与三三级级过过渡渡段段和和整整流流罩罩相相协协调调，舱舱壁壁上上安安装装了了圆圆盘盘支支架架、电电子子程程配配、数数字字量量变变换换器器、振振动动传传感感器器，小小平平台台支支架架、爆爆炸炸器器等一系列仪器设备。另外，舱壁上还分布着检查窗等开口；等一系列仪器设备。另外，舱壁上还分布着检查窗等开口；仪仪器器舱舱呈呈截截圆圆锥锥形形，前前框框直直径径为为1248mm1248mm，后后框框直直径径为为2896mm2896mm，高高为为1028mm1028mm，截截圆圆锥锥形形壳壳体体与与后后端端面面呈呈52.352.3的的夹夹角。角。2 2、结构工艺性分析、结构工艺性分析v 火箭仪器舱主要承受轴压载荷，壳体受力后呈现弯曲火箭仪器舱主要承受轴压载荷，壳体受力后呈现弯曲变形、剪切变形和压缩变形。变形、剪切变形和压缩变形。v 壳体的结构设计及选材既满足设计载荷作用下的强度壳体的结构设计及选材既满足设计载荷作用下的强度要求，又要满足结构稳定性的要求。要求，又要满足结构稳定性的要求。3 3、仪器舱材料选择、仪器舱材料选择（1 1）面板材料面板材料 增强材料：增强材料：T300T3003000300040B40B碳纤维碳纤维 基体材料：基体材料：HD58HD58中温固化环氧树脂体系中温固化环氧树脂体系（2 2）夹层材料）夹层材料 LY2YLY2Y0.03mm 0.03mm（厚度）厚度）5mm 5mm（芯格（芯格边长边长）有孔铝蜂窝有孔铝蜂窝T3003000一40B碳纤维性能T300HD58层压板物理及力学性能4、工艺难点分析（1 1）蜂窝夹层结构面层密实度控制问题）蜂窝夹层结构面层密实度控制问题 蜂窝夹层结构面层密实度较难保证。尤其是采用一步法固化成型时，蜂窝夹层结构面层密实度较难保证。尤其是采用一步法固化成型时，由于加压固化的支持面为蜂窝芯，造成复材面板加压不均匀，呈凹凸状，由于加压固化的支持面为蜂窝芯，造成复材面板加压不均匀，呈凹凸状，从而导致面层密实度极不均匀，有的甚至出现局部明显分层，造成力学从而导致面层密实度极不均匀，有的甚至出现局部明显分层，造成力学性能差，面层传剪能力变弱，直接影响结构的使用性能性能差，面层传剪能力变弱，直接影响结构的使用性能。采取三步法热采取三步法热压罐固化工艺及软模技术，保证了面层密实度的要求。压罐固化工艺及软模技术，保证了面层密实度的要求。（2 2）两端框与壳体的装配协调问题）两端框与壳体的装配协调问题 火箭仪器舱处于三级箭体上的重要部位。其前后端框与卫星接口支火箭仪器舱处于三级箭体上的重要部位。其前后端框与卫星接口支架、三级储箱的连接要求极其严格，其对接面平面度、圆度、平行度、架、三级储箱的连接要求极其严格，其对接面平面度、圆度、平行度、方位扭转误差以及对舱体的纵轴垂直度在图纸和技术条件上均有严格的方位扭转误差以及对舱体的纵轴垂直度在图纸和技术条件上均有严格的规定。我们通过改进钣金工艺方法，设置合理的工艺流程，提高铆接及规定。我们通过改进钣金工艺方法，设置合理的工艺流程，提高铆接及装配质量来满足仪器舱的装配要求。装配质量来满足仪器舱的装配要求。5、复合材料仪器舱成型工艺流程生生产产准准备备下下料料(蜂蜂窝窝芯芯、碳碳带带)前前框框上上环环预预装装钣钣金金框框磷磷酸酸阳阳极极化化底底胶胶喷喷涂涂、固固化化铺铺6 6层层内内蒙蒙皮皮第第一一次次固固化化蜂蜂窝窝芯芯固固持持及及预预成成型型填填充充灌灌封封料料、固固化化铺铺防防电电化化腐腐蚀蚀层层第第二二次次固固化化修修型型铺铺6 6层层外外蒙蒙皮皮及及加加强强层层第第三三次次固固化化划划线线(基基准准线线、边边缘缘线线、孔孔位位线线等等)启启模模修修整整无无损损检测检测转入装配。转入装配。