复合材料热压罐成型技术汇总课件.ppt

School of Materials Science and Engineering 复合材料制备新技术复合材料制备新技术 复合材料热压罐成型技术复合材料热压罐成型技术 主讲：梅启林主讲：梅启林 单位：材料学院单位：材料学院School of Materials Science and Engineering一、前言一、前言n热压罐：热压罐：航空复合材料制品的主要生产设备，具有整体加热系统的大型压力容器。航空复合材料制品的主要生产设备，具有整体加热系统的大型压力容器。n优点：优点：（1）大范围内适应各种材料对加工条件的要求）大范围内适应各种材料对加工条件的要求 高温环氧高温环氧175oC，600KPa 聚酰亚胺聚酰亚胺300400oC，1MPa（2）加压灵活性强，均匀）加压灵活性强，均匀n缺点：缺点：（1）尺寸、温度、压力要求高，结构复杂，制造成本昂贵）尺寸、温度、压力要求高，结构复杂，制造成本昂贵 小型：小型：D1m，L2m，10万万美美元，元，大型大型：100万美元万美元（2）升温、加压速度慢，温度控制精度小）升温、加压速度慢，温度控制精度小School of Materials Science and Engineering二、预二、预浸料浸料n概念概念 纤维浸渍树脂后形成的片状材料。纤维浸渍树脂后形成的片状材料。热压罐成型的主要原材料热压罐成型的主要原材料 半成品半成品 n特点特点 铺层设计铺层设计 调整纤维角度、单层厚度、层数调整纤维角度、单层厚度、层数 设计力学、理化性能设计力学、理化性能 组成、质量组成、质量 决定制品性能决定制品性能预浸料的制备预浸料的制备（1 1）湿法：溶液浸渍法）湿法：溶液浸渍法（2 2）干法：热融浸渍法）干法：热融浸渍法 Ws=t/d Ws=t/d Ws-Ws-预浸料单位面积纤维质量（预浸料单位面积纤维质量（g/cmg/cm2 2)t-t-丝束纤度（丝束纤度（textex，即即g/10g/103 3m)m)d-d-预浸料纤维间距（预浸料纤维间距（1010-3-3m m）School of Materials Science and Engineering预浸料的制备预浸料的制备n溶液浸渍法溶液浸渍法（辊筒缠绕法、连续排铺法）（辊筒缠绕法、连续排铺法）（1 1）辊筒缠绕法）辊筒缠绕法 特点：特点：间歇性、设备简单、生产效率低、批量小间歇性、设备简单、生产效率低、批量小 实验室或小批量生产实验室或小批量生产 工作原理：工作原理：一系列变速机构一系列变速机构-调节辊筒转动、导丝辊丝杠横向移动速度比调节辊筒转动、导丝辊丝杠横向移动速度比-纤维间距纤维间距 工艺参数：工艺参数：纤维状态纤维状态（单丝根数、总纤度、捻度等（单丝根数、总纤度、捻度等-影响浸渍程度和含胶量）影响浸渍程度和含胶量）胶液浓度（胶液浓度（影响含胶量最严重的因素影响含胶量最严重的因素-调节调节胶液密度、温度来控制胶液密度、温度来控制）牵引速度牵引速度 高高-浸渍时间短，浸渍时间短，浸渍程度低和含胶量低浸渍程度低和含胶量低 低低-浸渍充分浸渍充分和含胶量高，效率低和含胶量高，效率低 纤维张力（高纤维张力（高-含胶量低，影响外观）含胶量低，影响外观）School of Materials Science and Engineering预浸料的制备预浸料的制备（2 2）连续排铺法）连续排铺法 特点：特点：连续性、效率高、适合大规模生产连续性、效率高、适合大规模生产 基本过程：基本过程：若干丝束若干丝束-整经分丝整经分丝-浸胶浸胶-挤胶挤胶-烘干烘干-垫隔离纸垫隔离纸-压实压实-收卷收卷 工艺参数：工艺参数：胶液浓度胶液浓度 浸渍时间浸渍时间 -影响浸渍程度主要因素影响浸渍程度主要因素 牵引速度牵引速度 挤压辊间隙挤压辊间隙-控制含胶量关键部件控制含胶量关键部件 烘干温度、时间烘干温度、时间-（目的（目的-除去挥发分，初步固化除去挥发分，初步固化（调节粘性）（调节粘性）School of Materials Science and Engineering热融热融浸渍法制备预浸料浸渍法制备预浸料n特点：特点：n不使用溶剂，预浸料挥发分低，降低环境污染和人体危害不使用溶剂，预浸料挥发分低，降低环境污染和人体危害n产品空隙率小，力学性能好产品空隙率小，力学性能好n外观好，树脂含量控制精度高外观好，树脂含量控制精度高n节省了溶剂成本节省了溶剂成本n熔融直接浸渍法熔融直接浸渍法n胶膜法胶膜法n对树脂的要求：对树脂的要求：（1）能在成膜温度下形成稳定胶膜）能在成膜温度下形成稳定胶膜 （2）具有一定粘性，便于预浸料铺贴）具有一定粘性，便于预浸料铺贴 （3）熔融时最低粘度不能太高，便于浸渍）熔融时最低粘度不能太高，便于浸渍主要工艺过程主要工艺过程 （1）均匀稳定树脂膜的制备）均匀稳定树脂膜的制备-关键关键 （2）树脂熔融浸渍纤维）树脂熔融浸渍纤维 （3）预浸料冷却）预浸料冷却 （4）预浸料收卷）预浸料收卷School of Materials Science and Engineering预浸料的性能预浸料的性能n外观外观n物理性能物理性能（1 1）单位面积纤维的质量（）单位面积纤维的质量（GB7192-87GB7192-87）（2 2）树脂含量（）树脂含量（GB7192-87GB7192-87）（3 3）挥发分含量（挥发分含量（GB6056-85GB6056-85）（4 4）粘性（表征预浸料铺覆性和层间粘合性的指标）粘性（表征预浸料铺覆性和层间粘合性的指标）（5 5）流动度（一定条件下，预浸料树脂可流出的数量占预浸料质量的百分比，）流动度（一定条件下，预浸料树脂可流出的数量占预浸料质量的百分比，GB5260-85GB5260-85）（6 6）凝胶时间（凝胶时间（GB5259-85GB5259-85）n化学性能化学性能n化学成分（红外光谱化学成分（红外光谱GB5416-88GB5416-88）n反应热焓（反应热焓（DSCDSC，Q/6S 975-91Q/6S 975-91）School of Materials Science and Engineering三、热压罐系统的结构与成型模具三、热压罐系统的结构与成型模具q热压罐系统的结构热压罐系统的结构 (中中温低压温低压120oCx0.275MPa-高温高压高温高压760oCx69MPa)（1 1）压力容器）压力容器 绝热层由内向外绝热层由内向外:镀铝钢板、陶瓷纤维、压力容器结构层镀铝钢板、陶瓷纤维、压力容器结构层 绝热层绝热层-防止热量外散，减少能量损失防止热量外散，减少能量损失 镀铝钢板镀铝钢板-防止热辐射损失防止热辐射损失 -防止热气体窜入陶瓷纤维层防止热气体窜入陶瓷纤维层（2 2）加热与气体循环系统）加热与气体循环系统 加热方式：加热方式：间接气体点火间接气体点火-常用方式常用方式 热油（联苯热油（联苯400400oC C，硅油硅油425425oC C）-可燃可燃-潜在危险潜在危险 蒸汽加热蒸汽加热-150-150oC C180180oC-C-温度低，使用少温度低，使用少 电加热电加热-（适用直径小于（适用直径小于2 2米）米）-运营成本高运营成本高 气体循环系统（保证温度场的均匀性）气体循环系统（保证温度场的均匀性）最佳气流速度：最佳气流速度：1 1m/sm/s 太高太高-撕开真空袋撕开真空袋 太低太低-温度不均匀温度不均匀School of Materials Science and Engineering三、热压罐系统的结构与成型模具三、热压罐系统的结构与成型模具（3 3）气体加压系统）气体加压系统 常用压缩气体：常用压缩气体：空气：空气：0.70.7.0.0MPa,MPa,温度上限温度上限120120oC C-低成本、但低成本、但助燃助燃,150150oC C以上使用危险以上使用危险 氮气（液氮）：最常用，氮气（液氮）：最常用，1.41.4.55.55MPa-MPa-抑制燃烧、易于分散到空气中抑制燃烧、易于分散到空气中 -成本高成本高 二氧化碳（液态）：二氧化碳（液态）：2.052.05MPa-MPa-密度大，对人体有害密度大，对人体有害 -不易分散到空气中不易分散到空气中（4 4）真空系统）真空系统 最重要的辅助系统最重要的辅助系统 水封型真空泵最可靠，油泵易被固化挥发分副产物腐蚀水封型真空泵最可靠，油泵易被固化挥发分副产物腐蚀（5 5）控制系统）控制系统 对固化工艺进行监控对固化工艺进行监控-使工艺参数合理化、降低成本使工艺参数合理化、降低成本 计算机控制系统应同时安装微处理控制器，以防计算机控制系统失灵计算机控制系统应同时安装微处理控制器，以防计算机控制系统失灵（6 6）其它辅助系统）其它辅助系统 冷却系统、装卸系统等冷却系统、装卸系统等School of Materials Science and Engineering三、热压罐系统的结构与成型模具三、热压罐系统的结构与成型模具n成型模具成型模具n要求：要求：（1）在成型温度和压力下保持适当的性能）在成型温度和压力下保持适当的性能（2）成本、寿命、精度、强度、质量、机加工性、热膨胀系数、尺寸稳）成本、寿命、精度、强度、质量、机加工性、热膨胀系数、尺寸稳定性、表面处理及热导率等定性、表面处理及热导率等模具材料类别：模具材料类别：（1）室温至中温：树脂基复合材料）室温至中温：树脂基复合材料（2）低温至高温：金属材料）低温至高温：金属材料（3）超高温：陶瓷和石墨材料）超高温：陶瓷和石墨材料School of Materials Science and Engineering三、热压罐系统的结构与成型模具三、热压罐系统的结构与成型模具n铝、钢、殷钢模具铝、钢、殷钢模具良好的表面处理性能、可多次重复使用良好的表面处理性能、可多次重复使用-应用最广应用最广殷钢硬度与钢相似，热膨胀系数比钢和铝更小殷钢硬度与钢相似，热膨胀系数比钢和铝更小-理想模具材料理想模具材料铝：软、热膨胀系数大、但密度小，易搬动，机加工性较殷钢好铝：软、热膨胀系数大、但密度小，易搬动，机加工性较殷钢好热膨胀系数（铝热膨胀系数（铝26.2,钢钢13.2(C),17.8(NI),铸铁铸铁11.1,殷钢殷钢0.28,金属金属-陶瓷陶瓷7.2,聚酰胺聚酰胺4.68)n电成型镍电成型镍 采用电镀工艺将镍沉积到母模采用电镀工艺将镍沉积到母模(石膏石膏)表面光洁、耐磨、易修补、脱模好，但成本高表面光洁、耐磨、易修补、脱模好，但成本高n碳纤维增强环氧复合材料模具碳纤维增强环氧复合材料模具热膨胀与复合材料相似热膨胀与复合材料相似表面光洁、表面光洁、轻质、易加工轻质、易加工使用温度不能高于其玻璃化温度，耐压低、耐用性、耐划伤性等不及金属使用温度不能高于其玻璃化温度，耐压低、耐用性、耐划伤性等不及金属School of Materials Science and Engineering三、热压罐系统的结构与成型模具三、热压罐系统的结构与成型模具n膨胀橡胶模具膨胀橡胶模具原理：利用橡胶受热过程的膨胀可控性，提供复合材料固化所需压力原理：利用橡胶受热过程的膨胀可控性，提供复合材料固化所需压力作用：强化成型压力或传递压力作用：强化成型压力或传递压力优点：可塑性成型、膨胀可控、均衡压力等优点：可塑性成型、膨胀可控、均衡压力等缺点：寿命短、导热性差等缺点：寿命短、导热性差等n石墨及陶瓷模具石墨及陶瓷模具 石墨模具：石墨模具：优点：热膨胀系数低、质轻、易制造、导热性好，使用温度高达优点：热膨胀系数低、质轻、易制造、导热性好，使用温度高达2000oC C缺点：易脆、重复使用次数小于缺点：易脆、重复使用次数小于10次次 陶瓷模具：陶瓷模具：适用成型耐高温聚酰亚胺、热塑性树脂基复合材料等适用成型耐高温聚酰亚胺、热塑性树脂基复合材料等School of Materials Science and Engineering四、固化成型工艺流程四、固化成型工艺流程n工艺辅助材料工艺辅助材料（1 1）真空袋材料与密封胶条）真空袋材料与密封胶条 100 100oC C以下以下-PEPE薄膜薄膜 200 200oC C以下以下-改性尼龙薄膜改性尼龙薄膜 耐高温聚酰亚胺、热塑性树脂基复合材料成型耐高温聚酰亚胺、热塑性树脂基复合材料成型-耐高温聚酰亚胺薄膜耐高温聚酰亚胺薄膜（2 2）有空或无空隔离薄膜）有空或无空隔离薄膜 作用：防止粘模作用：防止粘模 PTFEPTFE、改性氟塑料薄膜改性氟塑料薄膜（3 3）吸胶材料）吸胶材料 吸收多余树脂，控制、调节纤维体积含量吸收多余树脂，控制、调节纤维体积含量 玻璃布、滤纸、各种纤维非织布、玻璃布、滤纸、各种纤维非织布、200 200oC C以下以下-多、廉价多、廉价-涤纶非织造布涤纶非织造布（4 4）透气材料）透气材料 疏导真空袋内气体。厚涤纶非织造布，高温疏导真空袋内气体。厚涤纶非织造布，高温200200oC C用玻璃布用玻璃布（5 5）脱模布）脱模布 让多余树和挥发分通过并进入吸胶层；防止粘模让多余树和挥发分通过并进入吸胶层；防止粘模 一般采用一般采用0.10.1mmPTFEmmPTFE玻璃布玻璃布（6 6）周边挡条）周边挡条-橡胶橡胶School of Materials Science and Engineering四、固化成型工艺流程四、固化成型工艺流程n成型工艺流程成型工艺流程 模具准备模具准备-裁减与铺叠裁减与铺叠-组合与装袋组合与装袋-固化与出罐脱模固化与出罐脱模-检测检测-修整修整-二次成型二次成型-装配装配School of Materials Science and Engineering五、热压罐成型工艺的仿真模拟五、热压罐成型工艺的仿真模拟n热压罐固化成型过程中发生的主要物理化学变化热压罐固化成型过程中发生的主要物理化学变化：（1 1）促进树脂流动，确保浸渍充分，和预浸料准确到位）促进树脂流动，确保浸渍充分，和预浸料准确到位（2 2）纤维网络压实，实现纤维体积含量最大化）纤维网络压实，实现纤维体积含量最大化（3 3）合适的压力以抑制基体中空隙的形成）合适的压力以抑制基体中空隙的形成（4 4）合适的成型温度保证固化充分）合适的成型温度保证固化充分n成型过程的数值仿真模拟成型过程的数值仿真模拟（1 1）树脂流动）树脂流动（2 2）纤维变形）纤维变形（3 3）纤维压实）纤维压实（4 4）空隙形成）空隙形成（5 5）固化工艺优化热传导）固化工艺优化热传导School of Materials Science and Engineering六、热压罐成型技术的应用六、热压罐成型技术的应用复合材料制件F-14F-15F-16F-18B-1AV-8BDC-10Demo门方向舵升降舵垂尾平尾副翼扰流板襟翼翼盒机身School of Materials Science and Engineering六、热压罐成型技术的应用六、热压罐成型技术的应用复合材料制件DC-1011Demo737 Demo727757767Lear Fan门方向舵升降舵垂尾平尾副翼扰流板襟翼翼盒机身School of Materials Science and Engineering六、热压罐成型技术的应用六、热压罐成型技术的应用School of Materials Science and Engineering六、热压罐成型技术的应用六、热压罐成型技术的应用School of Materials Science and EngineeringThanks for your Thanks for your attentionattention！