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复合材料成型工艺方法及优缺点分析

摘要：先进复合材料具有轻质高强、性能可设计、材料与构件一体等优异特

性，广泛应用于航空航天装备领域。复合材料的最终性能与使用效能，取决于原

材料和成型制备技术。为满足高纤维体积分数、高性能均匀性和高稳定性的“三

高”要求，热压罐成型工艺已成为航空航天复合材料制备的首选技术。但是，热

压罐成型工艺也存在诸如生产效率低、成本较大、环境污染等缺点。因此，对热

压罐成型工艺的研究，应着重放在优化固化工艺路线，使其向着能源节约型、环

境友好型、效率最大化方向发展。

关键词：复合材料；热压罐成型；方法

在复合材料制件制造过程中由于环境、原材料缺陷、工艺规范和结构设计不

合理等因素会产生各种缺陷，制造缺陷的存在严重影响了复合材料的性能和使用

寿命，甚至还会导致复合材料制件的报废，造成重大经济损失。因此，制造缺陷

的控制技术是目前先进树脂基复合材料成型工艺领域的重要研究内容。复合材料

在航空航天领域的应用日趋广泛，热压罐成型工艺已成为航空航天领域复合材料

主承力和次承力结构件成型的首选工艺之一。影响复合材料构件热压罐固化成型

质量的主要因素有由热压罐和工装系统构成的成型制造外部温度场、压力场及其

作用时间，由构件复杂结构及材料相变特性构成分析了复合材料热压罐固化成形

工艺。

一、复合材料成型工艺

1、拉挤成型工艺。复合材料拉挤成型工艺的研究开始于上世纪五十年代，

到了六十年代中期，在实际生产中逐渐运用了拉挤成型工艺。经过将近十年的发

展，拉挤技术又取得了重大研究进展，树脂胶液连续纤维束在湿润化状态下，通

过牵引结构拉力，在成型模中成型，最后在固化设备中进行固化，常用的固化设

备有固化模和固化炉。拉挤成型工艺的制品质量十分稳定，制造成本也很低；生

产效率也很高能够进行批量化的生产。

2、模压成型工艺。模压成型工艺是一种较为老旧的工艺，但是又充满不断

创新的可能，具有良好的未来发展潜力。该种成型工艺主要是在金属模内加入预

混料，再对金属模进行加热，同时对金属模进行加压，从而使金属模内的混合料

成型。模压成型可以实现自动化生产，能够有效控制制品尺寸和精度，大幅降低

生产成本。此外，模压成型的制品不需二次处理，表面十分光洁；生产效率很高，

还可以用于成型结构比较复杂的制品。不仅如此，模压成型工艺能够有效避免基

体试件分子取向，客观反映非晶态高聚物的性能。

3、铺放成型工艺。自动窄带铺放成型技术和自动铺丝束成型技术统称为纤

维铺放成型技术，是一种全新的自动化制造技术。铺放成型工艺的基础是缠绕和

自动铺放技术。一般情况下，纤维铺放成型工艺是在带头铺设后按照预定的形状

和位置对带有隔离衬纸的预浸带进行切割，之后再进行加热并按照设计方向进行

压辊，对应的模具曲率半径变化率较小，曲率半径较大。通常情况下，铺带机的

核心零部件就是铺带头，主要作用就是衬纸剥离、张力控制等。铺丝技术适用于

曲率半径较小的制品生产，铺设时没有褶皱，不需额外处理操作。铺丝相对于铺

带来说，成本较高，效率较低，在选用时需结合实际情况决定。

二、复合材料构件固化变形的质量方法

在热压罐复合材料构件制造工艺中，构件质量缺陷主要表现在外部成形尺寸

与内部成性两大方面，外部成形尺寸缺陷主要指构件固化变形导致的成形精度误

差等方面，热固性复合材料构件固化需要加热与加压，加热用于控制树脂基体内

化学反应，加压则用于挤出预浸料中过量的树脂，使构件固化压实并减小孔隙率。

可见，优化固化工艺路线中温度、压力与时间的对应关系是保证构件固化质量的

重要前提。

1、环境温度场对构件成型质量的影响

（1）从理论方面研究环境温度场对成型质量影响。国内模具应具有良好的

热传导性和热稳定性，防止加热固化变形，影响产品质量。在热压罐成型过程中

选用薄壁框架式模具结构，可减少模具在升温过程中因各部位温度不均匀引起的

模具变形。[1]通过对T型整体化结构建立固化变形理论分析模型，得出模具与

复合材料构件间热不匹配是导致构件固化变形的又一主要因素。基于液固挤压复

合材料过程模具传热的非稳态有限元模型，得到模具温度场对成型过程的影响规

律。

（2）从试验方面研究环境温度场对成型质量的影响。对热压罐成型工艺过

程中试验环境温度的升温速率、固化温度、保温时间等工艺参数进行系统的实验

研究发现，较高环境温度会使层合板的孔隙率有一定程度增加，而较低环境温度

会导致各项同性压缩性能降低，在凝胶点和玻璃化转变温度之前，采用较低升温

速率会导致压缩性能下降和孔隙率增加。[2