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复合材料热隔膜成型技术 |
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newmaker 来源：航空制造 |
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过去复合材料曲面件一般都用手工铺层，但是手工铺层效率太低，压实不好，纤维有皱折，质量不易保证，而机械化铺层适用于平面或简单曲面件，对于类似钣金折弯件、引伸件和压延件则难度很大甚至无法实现。比较可行的办法是先将预浸料通过铺带机铺成层压件（一般平面就可以），再通过热隔膜成型，然后通过热压罐支持的方法制成产品。
对“热隔模成型”一词，国外资料中有“Hot Drape forming”和“Hot Diaphragm forming”两种解释，事实上它们是一回事，前者应翻译为热压垂帘成型或覆盖成型，后者即直译为热隔膜成型。因为“垂帘”的意思本身即指工作过程中隔膜像一个垂帘一样盖在产品和工装上，所以统一用热隔膜成型比较确切。
热隔膜成型概念
热隔膜成型是一种复合材料成型方法，即将预浸的复合材料层压后放置于模具上，通过一种特制隔膜的辅助作用经过抽真空和加热等方法，将层压件压向模具，形成所需形状。
复合材料隔膜成型类似于金属材料的引深/压延以及折弯成型。它不但可以成型一些形状复杂的产品，而且由于隔膜的作用，可以在成型过程中保证纤维不滑动、不起皱、无波浪，从而提高产品强度和表面质量，很适合于内设件、曲面复杂件和受力件（如一些梁和长桁等）的成型。热隔膜成型除用于复材件热成型外，还可用于各种蜂窝的胶接和压实，包括飞机内设件的蜂窝胶接、铝合金蜂窝胶接和真空压实等。
虽然RTM、RFI等技术也可以制造成多种此类产品，但它们是通过在纤维注入或真空吸入树酯解决的，树酯的含量、分布很难达到满意的程度。而隔膜成型用的是预浸料，其本身树酯含量是有保证的，再通过隔膜的作用使之不起皱和有序滑移，同时保证强度不会降低或不会明显降低，并保证厚度。
热隔膜成型方法可用于热塑性及热固性树脂预浸的材料，通过热压罐或不需热压罐（如蜂窝夹芯胶接）固化。隔膜要求比较严格，可用硅橡胶代替特用的聚合隔膜以降低成本。产品拉深的深度与其直径之比最大可达到4∶1。用于蜂窝胶接时，一般只需在设备上抽真空压实（De-Bulking），无需进热压罐。
热隔膜成型分类
热隔膜成型从成型方法上看有“正向成型”和“反向成型”2种，前者即热隔膜从上面将材料往下压向模具，后者是热隔膜从下往上包住材料压向模具；从使用的预浸料所含树酯材料来说有“热固性成型”和“热塑性成型”之分；从使用隔膜的数量上来说有“单隔膜成型”和“双隔膜成型”之分。
对于拉深率大、曲度大的产品，热隔膜成型预浸件的基料最好采用热塑性材料，因为要保证其成型就必须加温，并使之在加到所需温度后能保证其成型有相当的塑性。其中聚醚醚酮（PEEK）和以PEEK为基体的碳纤维复合材料（APC-2）是比较常用的材料，它具有耐高温、耐蚀、阻燃等优点，但聚苯硫醚(Poly Phenylene Sulfide，PPS)被认为是更好的预浸基料。其熔点为280℃,热变形温度为260℃,特点是耐热，寿命长。与热固性树脂相比，热塑性树脂形成的预浸材料虽然具有除成型复杂件外的施工快、周期短、可重复使用、贮存期长、容易修理、机械性能优良、韧性好、抗冲击、耐湿耐热等优点，但是由于其原材料成本高、预浸料粘性与铺覆性差，最高成形温度达350～450℃，一般热压罐温度不能满足其要求，且热塑性树脂的生产经验不足，目前在飞行器结构中尚处于研究试用阶段，应用有限。
隔膜成型主要用于较复杂的产品，它只能解决一个产品初型问题（预制件），后面进热压罐前还需跟上一些补充工序，包括手工修整。一些不能同时成型的零件也可考虑在进入热压罐后同时共固化，所以在隔膜成型前由于工装、设备、加压方法限制不能同时一次成型的产品，热压罐里还有一次补充的机会。
正向成型设备的典型结构是：设备底部有一个可抽真空的底座，上部有加热机构，工装放于底座上，隔膜放置在上部。如果用双层隔膜，即根据情况有的是将材料（铺层后的预浸料层压件）放在两层隔膜之间，有的将两层隔膜置于材料（层压件）之上。隔膜下降，使之紧贴材料和模具，形成密封，并同时压迫材料、抽真空、加热，材料被贴到模具上成型。对一般构件来说，热隔膜成型后除蜂窝胶接和薄蒙皮等简单产品外，其他还需进入热压罐固化。
反向隔膜成型即将材料置于模具下部，隔膜又置于材料下部，抽真空后，隔膜从下面往上包盖材料压向模具，使材料成型。反向成型的设备在原理上与正向设备完全一致，但在具体装置上（如抽真空位置、模具与隔膜的放置等）有所不同。
基本的热隔膜成型（正向法）的典型过程示意图如图1所示。
图1 热隔膜成型（正向法）典型过程
工序1（图1(a)）：模具放在底座上，预浸层压件（未示出）放在模具上或与隔膜一同夹紧加热，加热由定时装置或敏感原件控制，并可测温。
工序2（图1(b)）：隔模下降（或同时模具上升）使隔膜压住层压件，与模具贴紧。
工序3（图1(c)）:抽真空，成型结束，开动风扇，加速冷却。
工序4（图1(d)）：冷却后，停止抽真空，输入压缩空气，模具下降，取出产品,测量厚度。
热隔膜成型关键技术
1、隔膜技术
隔膜成型的关键是合适的隔膜，隔膜除弹性要求外，还要求耐温、刚性好，当层压件变形时能对层压件产生较大的拉力或抵消压应力。其选择如下：
（1）可延展金属。有高的拉伸性和高温热塑性的VACALL0Y TYPE DD和SPF铝，在300～400℃有200%或更大的延伸率。厚度在0.1～2.0mm之间，最好的是0.1～0.25mm。
（2）聚酰亚胺(Polyimide)。航空上常用的是E.I.Depont DeNemous 公司的Kapton.RTM Polyimide膜和UBE工业公司的UPILEX.RTM Polyimide膜。Kapton.RTM的“H”型膜伸长率在300℃时为100%；而UPILEX.RTM.的“R”型膜在300℃时伸长率为250%。有效厚度均为0.025～0.127 mm。
隔膜存在的问题是价格较贵，而且用一次以后就要报废，所以各企业都在研究代用材料。
（3）硅橡胶。经试验后符合本产品要求，可制成隔膜使用，可以满足简单零件。国外有用Moister Rubber Company的Moister 1453D橡胶板，国内某科研机构选用了Aero rubber company的0.0625英寸(1.5875mm)厚半透明的硅橡胶材料，在一般的设备上用热固性预浸料进行一般形状的真空成型试验，证明可以满足要求。但由于隔膜厚度较大，产品厚度的变化也较大。
洛克西德·马丁公司用单隔膜制造过隔框。但除成型简单产品外，一般都要用双隔膜，将铺层后的预浸料放在两层隔膜中间成型。为减少消耗，美国等一些公司正在研究用单隔膜代替双隔膜，其办法是从预浸料的树酯开始，研究采用新型树酯，使之具有更好的热塑性。
2、隔膜成型设备
目前国外供给热隔膜成型的设备已经比较多，这些设备除具一般热压机的特点外，还具备抽真空装置。另外由于热隔膜成型件的尺寸往往较大，所以一般的热压机往往难以符合要求。A400M机翼大梁用的热压机，长度20多m，就是美国Aeroform Ltd 公司专门为它设计制造的。
美国康泰公司是供应热成型机的一家比较大的公司，其设备（见图）已提供给全球70多个国家地区，最早是在20世纪80年代为英国BAE公司鹞式战斗机生产提供，此后为SAAB公司的Gripen战斗机，后来又为直升机和鹞式维修工厂和欧洲战斗机项目，以及波音787提供了类似设备。
加热库内部
SSF（Space Station Freedom）的一些热隔膜成型件由波音公司生产，它有专用的成型设备，该成型设备用铝质骨架构成，其内有3个三相480V的红外线加热器，数字控制。有抽真空管路，工作平台也是铝制的，在工作台上做完准备工作后将其推入设备开始工作。
热隔膜成型技术应用
热隔模成型已成功地应用于波音777长桁和V22长桁的生产。A400M的机翼前梁用了此工艺方法生产，并被权威部门认为是生产“C”型梁的最理想方法。
1、A400M机翼前梁的热隔膜成型
该大梁在英国GKN生产，被称为第一个用热隔膜成型的最大最关键部件。
GKN为此投入了140万英磅向西班牙订购了一台11轴、20m长的高速铺带机，使工时比原来手工铺层提高50倍，成本降低30%，不仅提高了质量、紧密度，还减少了无损检测时间。首先在该机上将CYTEC公司提供的预浸料铺成平的层压件，然后将该层压件移至Aeroform公司提供的热隔膜成型机上，置于两层由Dupot Electronic Technologies公司提供的Kapton Polyimide Film(一种聚酰亚胺薄膜)隔膜之间，隔膜中间抽真空，从上面开始缓慢加温（红外线加温）1h，直到温度全部达到60℃，然后再抽真空，将隔膜紧紧夹住层压件均匀压到模具上，约20min结束，保证C型梁的内型正确。最后取下预成型件，撕去隔膜（隔膜报废），将预成型件转移到固化工装上，装夹好，送入热压罐固化。
2、长桁型件的热隔膜成型
Accudyue公司生产专门的桁条铺带机，可成型30cm宽、11m长的层压件，铺层速度100英尺/min（30.48m/min），边缘平齐度0.018英寸(0.457mm),切割精度0.030英寸(0.762mm),有塔式装卸装置，可自动更换材料。
波音777和V22的长桁铺层后用热隔膜成型，克服了用老办法成型时的表面皱褶及其他缺陷。其中V22用的是正向法，而波音777采用的是反向成型法，即将材料置于模具下部，隔膜又置于材料下部，抽真空后通过隔膜向上将材料包向模具，补加工或需添补之处在进入热压罐前在夹具上解决。
正向法和反向法各有优劣，一般认为正向法在加热开始时不能有效地控制材料的受热变形，尤其对双曲面产品更是如此。反向法由于材料放在隔膜上，受热情况较好，但模具要支起来（因为隔膜和材料要放在它的下部），对重量大的模具实施起来有困难。
SSF的滑轨用的和V22一样正向成型法。其中有C型长桁还有角型件和W型件，前两者一次即可成型，后者分2次成型。
图4表示热电偶的安装位置。从上到下依次为层压件、热电偶和成型模。
图4 热电偶安装位置
图5表示C型件成型前的预成型件安装，其最上层为起隔膜作用的密封橡胶胶囊，由Mosites Rubber Company提供的Mosite 1453D硅橡胶板制成（真空密封），第二层是一层TFP脱模布，第三层是协助加强隔膜成型作用的2层氟化乙烯丙烯塑料(Fluorinated ethylene propylene，FEP)，下面是预浸料层压件，最下面是模具。
图5 C型件成型前的预成型件安装
预安装在平台上进行，安装后推入设备。其操作要点是：
（1）工装清理后要涂上脱模剂；
（2）热电偶放9个，须安置于产品非工作部分；
（3）层压件用尼龙销定位；
（4）修TFP使其比零件周边大0.2～0.5英寸（5.08～12.7mm）；
（5） 温度设置在120～140°F（49～60℃）,并检查好监控系统；
（6）当热电偶指示115～140°F（46～60℃）时开始抽真空；
（7）整体系统的全部温度达到规范要求后继续加热不能超过5min，温度不能超过150oF（66℃）；
（8）冷却至95oF（53℃）以下断掉真空。
图6是另外2种成型件，黑色的是材料，白色的是模具。（a）图是一种角材，用1套模具成型，(b)图是一种“W”型加强件，用2套模具成型，第一套模具将其压成“V”型件，第二套模具再将其压成“W”型（反向）。 
图6 成型件的另两种形式
从以上几种产品的成型方法来看，具体的成型方法各有千秋，但成型的基本原理和程序不变，因此可以根据各自的产品要求和自身条件适当地灵活运用。
结束语
随着复合材料在飞机结构中的应用不断扩大，复杂件愈来愈多，强度和表面质量要求不断提高，热隔膜成型的应用也将不断扩大。
热隔膜成型是一项新的复合材料构件成型工艺，在国外已经比较成熟地得到应用，但在国内此项工艺尚处于开发试验阶段。虽然热隔膜成型的一些构件用RTM,RFI甚至手工铺设也能制造，但强度和表面粗糙度水平都很难达到理想状态。尤其是A400M机翼大梁用热隔膜成型以后，热隔膜成型技术的应用更引起了广泛关注。随着我国飞行器设计制造中复合材料构件的使用率不断增加，大量的原金属压延件、引深件、梁型件、长桁和发动机舱前缘件都将大量采用复合材料结构，加速热隔膜工艺的研究应进一步引起关注。
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(投稿)
(8/11/2010) |
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