摘要：随着复合材料在航空领域得到广泛应用，传统的手工铺贴工艺已经无法满足大厚度大尺寸主承力结构的生产需求，而自动铺带技术尚不能对异型承力结构完成铺贴。为了满足该主承力结构的生产需要，逐渐选择热隔膜预成型工艺方法。该工艺方法可以将铺贴好的预浸料层压平板通过施加一定的温度和压力折弯成Ｌ型梁等异型结构[1]。本文从原材料、设备、工艺参数和工装设计4个方面阐述热隔膜辅助成型高韧性碳纤维“J”型纵墙工艺过程。
关键词：复合材料，碳纤维，热隔膜成型工艺
引言 dbf
二甲基乙醇胺先进复合材料相比传统复合材料具有更高的比强度、比模量、耐腐蚀性、可设计性，这些优点使得先进复合材料在航空制件中占据愈发显眼的位置。加强筋、桁条、肋的引入可以有效提升复材制件的整体刚度，目前采用加强结构的类型多为J型、T 型、Ω 型、工型、C型等，可较大程度提高结构的抗弯等方面力学性能。 本文论述的热隔膜预成型技术是指树脂基体在加温状态下软化，在压力的作用下隔膜包裹预
制体在成型工装上弯折，预制体发生层间滑移，工装与预制体之间及预制体内部层间产生相互的摩擦力，隔膜在预制体发生形变时保持张力状态，这种状态的保持确保热隔膜预成型过程中纤维按照正确走向舒展，制件表面尤其是R角区域的质量有明显提高。
本文主要讨论的是热隔膜辅助成型高强碳纤维J型纵墙的工艺方法。
一、零件简介
该J型纵墙为非等厚制件，基本结构为上弯边区、腹板区以及卧边区，根据制件外形特点一般分为C单元、Z单元两部分，如图1所示。
图1 制件外形示意图
二、材料体系
碳纤维相比其他纤维具备最好的综合性能，力学性能优异，密度小、热膨胀系数低且导电，适用于高效结构，耐疲劳性能优良，在航空领域被广泛应用。CCF800H为高强度中等模量型碳纤维，逐渐成为新一代航空复材制件的主选 [3]，本文讨论的制件采用的材料体系及基本物理性能如下：
表1 材料基本信息
三、设备
热隔膜设备一般由以下几部分组成：加热中心、隔膜装置、真空台、预热台、自动控制系统等，其中自动控制系统主要用于控制生产流程、记录固化参数及工艺过程、控制技术参数、读取设备数据、实现设备自动运行。
四、主要工艺窗口土地登记规则
1.R角填充区域
腹板坯料与卧边坯料制件会形成一个三角形空腔区，根据设计要求该区域必须要填充完全，确保零件无孔隙，压力在该区域能够有效传递，零件的力学性能符合设计要求。R角填充物主要有预成型体和手工填充两种，预成型体一般为芯材，由特制工装压制而成，通过计算其截面积，结合预浸料的理论厚度，计算所需预浸料的宽度。 0度纤维理论填充量计算公式：A=(2R2-ΠR2/2)/δ
其中R：数模理论值（数模测量值+该区域层压板厚度的1/2），δ：预浸坯料理论厚度，该制件数模R测量值为3mm，该区域层压板厚度为2mm，预浸料厚度δ为0.125mm，按照上述公式计算0度纤维理论填充量为55mm.将需要的预浸料按照计算的宽度裁剪好，卷成棒
丁晓生状长条初始形状，放入成型模具中，确保棒状坯料与工装的贴合紧密后，放置金属盖板后封装真空袋并在热压罐内进行预定型，工艺参数为：全程真空不低于-92KPa，速率：49KPa/min；加压600±35KPa，速率300KPa/min；升温速率不大于1.5℃/min，升至90℃；90±5℃，保温15min； 降温速率不大于1.5℃/min，降至60℃；60 ±5℃，保温2min，卸压。
该种方法实现了R角填料的预定型，获得了所需的理论填料，操作简便、制备的芯材结构稳定，避免了由于填充芯材外形不稳定造成R区内部质量问题或者切割面的外观质量，如图2。
图2 不同R区填充对比图
2.工艺参数
2.1 温度环境
密籍①初加温阶段，将复合材料平板叠层预制体坯料加热到某一温度使树脂软化，黏度的降低有助于预制体坯料发生变形；②预成型阶段，通过对预制体坯料抽真空使坯料产生弯曲变形,发生层间滑移形成L型形状的预成型体；③组合阶段，将两个L型预成型体组合、并放置在固化工装上，放置底板；④为热压罐内固化阶段，将组合后的预成型体转移至热压罐内进行固化，在固化阶段产生制件内部会产生残余应力，这种应力释放后会导致脱模后的零件出现变形情况。
热隔膜预成型过程中，设备状态是否良好，工艺因素（例如温度、真空、速率等）设置是否合理均可影响零件内部质量，设备状态突发情况可以通过人为干预来应对；优化工艺参数能减少改善缺陷的产生，本文讨论的工艺参数主要是预成型温度和成型速率两个要素。
预成型过程中，温度直接影响预浸料树脂基体的流动性以及坯料的变形能力，进而对零件的质量产生明显影响。本文讨论的制件在工艺试验阶段对比了60℃和90℃两个温度条件的零件状态，温度设置为60℃时，制件R角位置纤维严重屈曲，如图3所示，90℃条件下，R角位置无褶皱，表面光滑。分析工艺试验结果认为较低温度条件下，坯料的层间滑移能力弱，层间摩擦力的产生使得层间变形能力比滑移能力赓强，R角位置纤维屈曲；当较高温度条件下，层间摩擦力减弱，层间变形能力与滑移能力不相上下，R角位置没有产生褶皱。对比两种试验状态结合材料标准要求，该制件选择90℃作为热隔膜预成型的温度。
图3河南天价过路费案 不同温度条件下纤维状态对比图
2.2 真空速率
真空速率是成型过程中影响零件质量的另外一个工艺要素。预成型过程中，隔膜装置和真空平台之间形成了两个密闭环境，其中双隔膜间的真空环境保障了预制体坯料在成型过程中不会因自身重量变形，试验过程中发现随着提高真空速率，预制体坯料弯曲的压力随之增大，坯料弯曲速度也随之加快。可以得出同一温度下，真空速率越大，零件R角位置的褶皱越明显；真空速率较小，制件无褶皱，表面光滑。
3.辅助工艺盖板
制件成型主体工装为殷瓦钢工装，为确保压力的有效传递，避免成型工装之间存在硬碰硬的情况，在最终组合封装时Z单元区域采用了两种盖板形式：橡胶对接盖板、玻纤-橡胶组合盖板；
①橡胶对接盖板方案在对接缝处放置一条铜箔，但由于该材料属于增韧材料，橡胶软盖板的形式不能够保证制件表面质量，腹板表面有明显纤维束痕迹。
②玻纤-橡胶盖板即腹板区域主要采用玻璃钢盖板形式，盖板厚度2mm左右，盖板的刚度确保了腹板区的表面质量，平整无纤维束痕迹，为了避免玻璃钢盖板边缘在腹板造成压痕，玻璃钢盖板边缘做了30°倒角处理，并在卧边阴R位置的橡胶盖板上增加橡胶三角填充以确保在固化过程中压力均匀、有效传递，确保该复材制件的内部质量。
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