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热压罐成型复合材料成型工艺的常见缺陷及对策【摘要】热压罐成型复合材料成型工艺在实践中存在着一些常见缺陷，如材料质量不稳定、成型工艺参数不合理、设备维护不及时、操作人员技能水平不足等问题。
为了解决这些缺陷，可以采取一系列对策：首先要控制材料质量，确保原材料符合标准要求；其次需要优化成型工艺参数，提高成型的精度和稳定性；同时加强设备维护保养，确保设备运行良好；最后要提高操作人员的技能水平，培训和指导操作人员。
通过采取这些对策，可以有效地提高热压罐成型复合材料成型工艺的质量和效率，推动产业的发展。
【关键词】热压罐、复合材料、成型工艺、缺陷、对策、材料质量、成型工艺参数、设备维护、操作人员技能、总结1. 引言1.1 背景介绍热压罐成型复合材料成型工艺是一种常见的制备复合材料的方法，通过热压罐中的高温高压条件，将树脂和纤维材料进行压制成型。
这种工艺具有制备速度快、成型工艺简单等优点，因此在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。
在实际生产过程中，热压罐成型复合材料也存在着一些常见的缺陷，如气泡、褶皱、尺寸不一致等问题。
为了提高产品质量和生产效率，需要对这些常见缺陷进行深入分析，并制定相应的对策来解决这些问题。
本文将从控制材料质量、优化成型工艺参数、加强设备维护保养、提高操作人员技能水平等方面进行讨论，为热压罐成型复合材料成型工艺的改进提供参考。
2. 正文2.1 热压罐成型复合材料成型工艺存在的常见缺陷热压罐成型复合材料是一种常用的制备工艺，在许多领域都有广泛的应用。
这种工艺也存在一些常见的缺陷，影响材料的质量和性能。
以下是热压罐成型复合材料成型工艺存在的一些常见缺陷：1. 母材和增强材料不充分混合：在成型过程中，如果母材和增强材料没有充分混合，会导致材料性能不均匀，出现局部强度不足的现象。
2. 难以排气：在热压罐成型过程中，由于材料层间存在气泡，导致成型后出现气孔，影响材料的密实性和强度。
3. 成型温度控制不当：如果成型温度过高或过低，都会影响材料的物理性能，例如过高的温度会导致材料烧损，过低的温度则会影响材料的结晶度。
复合材料热压罐成型工艺的常见缺陷及对策摘要：热压罐成型是复合材料应用较多、最为常见的一种成型工艺。
热压罐工艺生产的制品占整个复合材料制品产量50%以上。
热压罐成型工艺具有许多其他工艺不具备的优点，可制造形状复杂的制件，成型工艺灵活，适于生产大面积整体成型构件，纤维含量高，孔隙率低。
同时热压罐成型工艺具有设备投资高，成型周期长的特点。
热压罐成型复合材料构件主要缺陷包括外形尺寸超差与内部质量缺陷等，内部质量缺陷包括分层，夹杂等。
造成缺陷的原因种类繁多，包括制造中的人机料法环各环节的相关工序。
本文分析非等厚板材、曲率构件常见缺陷产生原因，分析内容对复合材料零件质量控制具有一定的借鉴作用。
关键词：复合材料；热压罐成型工艺；常见缺陷及对策引言随着复合材料在航空航天领域的用量占比逐渐增加，已成为与钛合金、铝合金、合金钢并驾齐驱的四大航空结构材料之一。
而热压罐成型技术依旧是现阶段制造复合材料构件的主要方法，成型面的温度场分布是影响构件成型质量的重要因素。
研究表明，成型过程中温度场的分布不均匀将会导致复合材料固化后产生残余应力，导致材料力学性能降低，材料受到损坏，最终影响构件成型质量。
成型模具一般为金属模具，具有良好的热传导性，成型模具对复合材料构件温度场的影响远远大于辅助材料对构件温度场的影响。
因此，成型模具在复合材料固化成型中具有重要影响，研究与复合材料构件直接接触的成型模具型板表面温度均匀性对最终成型质量至关重要。
1复合材料热压罐成型工艺特点复合材料热压罐成型工艺主要是将复合材料毛坯或胶接结构用真空袋密封在热压罐中，用罐体内部均匀温度场对成型中的零件施加温度压力，使其成为所需要的形状与质量状态的成型工艺方法。
其成型工艺特点主要是罐内压力均匀，真空袋内的零件在均匀压力下成型。
适用范围广，成型工艺稳定，热压罐温度条件几乎满足所有聚合物基复合材料的成型工艺要求。
可保证成型零件质量，热压罐成型工艺制造的层压板孔隙率较低，相对其他成型工艺成型层板力学性能稳定。
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。
混凝土加筋板的抗剪强度及其影响因素研究一、研究背景混凝土是一种常用的建筑材料，其加筋板是一种常见的加固结构的方法。
加筋板可以提高混凝土结构的抗弯强度和抗剪强度，从而增强结构的承载能力和耐久性。
混凝土加筋板的抗剪强度是评价其性能的一个重要指标，因此研究混凝土加筋板的抗剪强度及其影响因素对于深入掌握混凝土结构的性能具有重要的意义。
二、研究目的本研究旨在探究混凝土加筋板的抗剪强度及其影响因素，为深入了解混凝土结构的性能提供理论依据和实验数据。
三、研究方法本研究采用实验研究的方法，通过制作不同厚度和不同钢筋配筋方式的混凝土加筋板，进行剪切试验，测量其抗剪强度和变形性能，分析其影响因素。
同时，还采用数值模拟的方法，建立混凝土加筋板的有限元模型，通过模拟分析其力学性能和变形特征。
四、研究内容1.混凝土加筋板的材料特性混凝土加筋板的材料特性是影响其抗剪强度的重要因素之一。
本研究将选用常规的混凝土材料进行制作，同时还将测试混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量等物理力学性能，并分析其与抗剪强度的关系。
2.钢筋配筋方式对混凝土加筋板抗剪强度的影响钢筋配筋方式是影响混凝土加筋板抗剪强度的另一个重要因素。
本研究将选用不同的钢筋配筋方式进行制作，并进行剪切试验，比较不同配筋方式的抗剪强度和变形性能。
同时，还将分析钢筋配筋方式对混凝土加筋板剪切破坏机制的影响。
3.混凝土加筋板厚度对抗剪强度的影响混凝土加筋板的厚度也是影响其抗剪强度的因素之一。
本研究将选取不同厚度的混凝土加筋板进行剪切试验，比较不同厚度的抗剪强度和变形性能，并分析厚度对混凝土加筋板的抗剪强度的影响。
4.数值模拟分析本研究还将采用有限元方法建立混凝土加筋板的数值模型，进行力学性能和变形特征的数值模拟分析。
通过模拟分析，深入了解混凝土加筋板的力学性能和变形特征，为实验结果提供理论支持和验证。
五、研究结论本研究将通过实验和数值模拟的方法，深入研究混凝土加筋板的抗剪强度及其影响因素，得出以下结论：1.混凝土加筋板的材料特性对抗剪强度有重要影响，抗压强度和弹性模量与抗剪强度呈正相关关系，抗拉强度与抗剪强度呈负相关关系。
第31卷第4期2011年4月航空材料学报JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALSVol.31，No.2April 2011热压罐成型加筋板L 形筋条纤维密实影响因素研究王雪明1，2，谢富原1，李敏2，张佐光2（1．北京航空制造工程研究所，北京100024；2．北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191）摘要：采用胶接共固化整体成型工艺制备了L 形筋条，研究了模具配合、填充料、曲率半径、吸胶工艺等因素对L 形筋条纤维密实和制造缺陷的影响规律，分析了缺陷形成机制。
结果表明：厚度不均、架桥、富脂是L 形筋条中存在的主要缺陷；采用软模辅助成型和加入适量填充料可改善筋条拐角区的压力分布，增大曲率半径和采用预吸胶工艺可降低拐角效应，从而可有效提高筋条纤维密实程度。
关键词：复合材料；热压罐；加筋板；曲率半径；纤维密实DOI ：10.3969/j.issn.1005-5053.2011.4.012中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1005-5053（2011）04-0064-05收稿日期：2010-09-15；修订日期：2010-10-28基金项目：国家863项目（2006AA03Z556）作者简介：王雪明（1977—），男，博士，工程师，主要从事先进树脂基复合材料方面的研究，（E-mail ）wtj1998@mse．buaa．edu．cn 。
曲率作为一种基本的结构要素，广泛存在于航空复合材料结构件中。
由于弧形结构因素，热压成型过程中的压力传递方式和温度分布规律与等厚层板有所不同，易引起压力分布不均，树脂发生多维流动，同时拐角区还会产生因剪切变形引起拐角效应。
因此，关于L 形层板制备过程中缺陷形成机制与控制方法引起了国内外众多学者的关注，分别从数值模拟和实验研究的角度进行了研究。
Hubert［1，2］，Li Min ［3］，李艳霞［4］分别模拟了固化后L 形构件的密实和变形情况，指出拐角区纤维层的剪切模量不可忽略，同时必须考虑渗流机制与剪切流机制之间的耦合作用。
Hubert ［5］等人通过实验考查了模具形式（阳模、阴模）、铺层方式、树脂黏度、吸胶方式对L形层板密实的影响，常文［6］、Malak ［7，8］分别就L 形层板的结构因素（曲率半径、铺层方式、平板长度等）和工艺制度对L 形层板纤维密实的影响进行了实验研究。
上述研究多侧重于对单一L 形层板固化成型的研究，而对于整体成型工艺中L 形层板的研究报道较少。
T 形加筋板就是一个典型的整体结构，由两个L 形筋条、填充料和蒙皮组成的，多采用共固化、胶接共固化和二次胶接三种整体工艺来制备。
在胶接共固化成型工艺中，相对于已固化的蒙皮，L 形筋条的密实质量直接影响着T 形加筋板的成型质量。
前期研究结果表明，整体成型过程中L 形筋条型面内压力分布不均，引起树脂发生复杂的多维流动［9］。
因此，L 形筋条的密实程度除了受结构与工艺因素影响外，还受到模具组合、填充料、吸胶工艺等加筋板整体成型时“特有因素”的影响。
本工作采取T 形加筋板的模具组合方式（以反映其传压方式）单独成型L 形筋条，系统研究了模具组合、填充料、吸胶工艺等因素对L 形筋条纤维密实的影响。
1实验部分1．1实验原材料及仪器设备原材料：碳纤维/双马树脂热熔法预浸料，含胶量31% 35%（质量分数），北京航空制造工程研究所；辅助材料（Airpad 橡胶、四氟布、A4000脱模布、透气毡、真空袋），美国Air Tech 公司。
设备：热压罐，北京航空制造工程研究所；不同曲率半径（R =1．5mm ，5mm ，7mm ，9mm ）L 形钢模和软模，自制；BX51M 光学数码金相显微镜，日本O-lympus ；Sisc IAS 图像采集系统，北京中科科仪计算技术有限责任公司。
1．2实验方法对T 形加筋板中的两个L 形筋条分别在模具上铺覆、封装后再按照T 形加筋板的方式组装在一起，如图1所示。
筋条铺层方式为多向铺层（［-45/0/45/90/-45/0/90/0/45/90/-45/0/45］）。
在热压第2期热压罐成型加筋板L形筋条纤维密实影响因素研究罐中对筋条固化成型，从室温时抽真空加热到110ħ并恒温10min，加压0.6MPa，再升温至185ħ并恒温3h，降温至70ħ卸压停真空，升降温速率1.5ħ/min。
采用两种模具配合方案（硬模/硬模、硬模/软模），模具的设计与选择详见文献［9］。
厚度分布是树脂流动和纤维密实的结果，本工作用厚度分布来表征筋条的纤维密实程度。
厚度分布的测量位置如图2所示，该图为所选区域的截面图，按照图中所标的位置点，测量P1 P15共15个位置的厚度，各点间距l=10mm，P1 P4对应的是突缘厚度，P5代表拐角区最厚处的厚度，P6 P15表示腹板面厚度。
各点厚度值均由精度为ʃ0．01mm的千分尺测得。
固化成型后，采用超声A扫描对L形筋条进行无损检测，根据波形特征确定缺陷类型，并采用金相显微镜对筋条拐角进行形貌观察。
2结果与讨论2．1模具类型的影响不同模具类型成型T形加筋板时的筋条型面内压力分布规律有所不同［9］，这必将对加筋板的成型质量产生影响。
本工作考查了硬模/L形软模模具组合对L形筋条纤维密实的影响，R=5mm，拐角区无填充料，成型后两模具下L形筋条各部分厚度如图3所示。
图3模具类型对L形筋条厚度的影响注：横坐标从左到右依次对应图2中的P1 P15的位置Fig．3Effect of tools on stiffener thickness Note：Theabscissa corresponding to the position fromP1to P15in Fig.2．由图3可见，L形筋条拐角部分最厚，突缘和腹板部分较薄，厚度曲线呈现形，这与阴模成型L形层板的密实规律相同［6］。
由于成型过程中筋条型面内压力分布不均，拐角区压力小于两侧所受压力［9］；从树脂流动角度分析，不同压力分布导致树脂压力不同，拐角区树脂压力较小导致树脂有从拐角区两侧向拐角区流动的趋势，以及含曲率构件热压成型过程中密实过程存在渗流机制与剪切流机制的耦合作用。
此外，从图3还可以发现，采用不同模具类型成型时，L形筋条的密实程度不同，靠近硬模侧的L形筋条拐角密实程度最差，出现明显架桥和富脂缺陷（图4a），而靠近软模侧筋条拐角密实相对改善很多（图4b）。
这主要是由于硬模和软模的传压特性不同引起的，由于硬模刚度很大，变形能力很差，压力很难传递到拐角区，从而容易引起拐角纤维架桥，树脂在压力差作用下从拐角两侧流向拐角区，引起富脂缺陷。
相对而言，软模具有较好的变形能力，成型过程中与筋条密实时的贴合性较好，可保证压力施加到拐角区，纤维密实程度较好。
2．2填充料的影响加筋板结构的成型质量除了受模具类型的影响外，拐角区填充料的影响也不可忽视。
为消除筋条拐角区与蒙皮间的“空洞”，加筋板结构的填充区通常填充的是胶模或与成型构件相同的单向带预浸料。
本工作选用碳纤维/双马树脂单向带作为填充料，设计了L形筋条拐角区有无填充料的对比实验，采用56航空材料学报第31卷图4L形筋条拐角区形貌图（a）硬模；（b）软模Fig．4Micrograph of corner section in L-shaped stiffeners（a）molding by rigid tools；（b）molding by flexible tools硬模/硬模组合方案，曲率半径R=5mm。
成型后筋条各部分厚度如图5所示。
图5填充料对L形筋条厚度的影响注：横坐标从左到右依次对应图2中的P1 P15的位置Fig．5Effect of fillers on stiffener thickness Note：The abscissa corresponding to the position fromP1to P15in Fig.2．由图5可见，拐角区的填充料会明显影响L形筋条的密实程度，尤其对拐角区的厚度影响程度最大。
腹板和突缘厚度在无填充料时比加入填充料后薄，而拐角厚度比加入填充料约厚26%，因此，加入填充料后，筋条的拐角更易密实，整体厚度均匀性程度提高。
主要原因在于填充料显著影响树脂的面内流动，当填充区无填充料时，树脂在压力差作用下更易从突缘和腹板的面内流动的树脂汇集到填充区形成富脂缺陷（图6a），导致拐角厚度增大，而拐角两侧厚度减小。
加入填充料后，两个L形筋条间的“空洞”得以消除，成型时填充料也会反作用于筋条，不会因硬模变形能力差而压力无法施加到筋条拐角区，拐角区的压力增大，面内方向的压力差减小，从而面内流动流向拐角区的树脂减少，富脂现象逐渐消除（图6b），筋条整体厚度趋于均匀。
图6L形筋条拐角区形貌图（a）无填充料；（b）有填充料Fig．6Micrograph of corner section in stiffeners（a）stiffener core with no fillers；（b）stiffener core with fillers2．3曲率半径的影响曲率半径是复合材料构件中的重要设计参数，曲率半径变化后，拐角区弧形部分的长度不同，引起曲率突变的程度不同。
此外，在材料体系、工艺制度一致的情况下，纤维密实主要受成型压力的影响，而曲率半径对压力传递是有影响的，从而影响成型过程纤维的密实和树脂的流动［9］。
本工作考查了曲率半径对L形筋条纤维密实的影响，采用硬模/L形软模模具组合方案，拐角区无填充料。
不同曲率半径L形筋条各部分平均厚度如图7所示。
图中筋条序号1-1，1-2所对应的L形筋条来自同一对模具组合（R=5mm），1-1表示靠近软模侧筋条，1-2表示靠近硬模侧筋条，其余筋条序号依次类推。
66第2期热压罐成型加筋板L形筋条纤维密实影响因素研究图7曲率半径对L 形筋条厚度的影响Fig．7Effect of curvature radius on stiffener thicknessL 形层板密实过程中层板内外表面面积变化的不一致性，从而引起明显的拐角效应，随着曲率半径的增大，拐角效应减小［10］。
由图7可见，无论是靠近硬模侧的筋条还是靠近软模侧的筋条，拐角厚度均随着曲率半径的增大而有所降低，腹板和突缘厚度变化不大，筋条整体厚度均匀性增大。
在硬模/L 形软模的组合中，由于软模传压性好，随着曲率半径的增大，拐角区的压力有所增大［9］，从而致使拐角区的树脂压力增大，拐角效应减小，密实程度提高。
2．4吸胶工艺的影响实际热压罐成型工艺中，吸胶工艺有多种方式，其中预吸胶工艺和固化吸胶工艺较为常用。
在预吸胶工艺中，制件首先在不使树脂发生明显固化反应的温度下预成型，以消除铺叠过程中的夹杂空气和吸湿水，并保证制件的尺寸；然后降温去除吸胶材料，再进行高温固化。
