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先进复合材料热压罐工艺成型过程压力监测技术李艳霞;顾轶卓;李敏;张佐光【摘要】Autoclave is one of the most impor-tant manufacturing processes commonly used to fabricate composite structures with high performances in aeronau-tical and aerospace area. If the cure process is not well controlled, the defects, such as uneven fiber distribution, bridging, waviness, delamination, and deformation, will occur, which seriously affect surface quality, mechanical properties and reliability of composite parts. The pressure monitoring technology during the autoclave process is an important experimental method to guide mould design, cure cycle optimization and the mechanism analysis of de-fect formation, and to improve the manufacturing capabil-ity of composite structures. In this paper, the test methods and their suitability of the pressures shared by ifber, resin, and prepreg stack during the autoclave process are summa-rized.%热压罐工艺是航空航天领域生产高性能复合材料构件最重要的方法，如工艺控制不利可能导致制件存在纤维架桥、屈曲、孔隙、分层、变形等缺陷，从而影响复合材料表面质量、力学性能以及可靠性。
复合材料的热压成型工艺技术水平概述及解释说明1. 引言1.1 概述复合材料是由两种或以上不同材料的组合而成，具有优异的性能和广泛的应用领域。
作为一种重要的制造工艺技术，热压成型在复合材料的加工中扮演着至关重要的角色。
本文将简要概述复合材料热压成型工艺技术水平的发展及其影响因素。
1.2 文章结构本文内容主要包括以下几个方面：引言、复合材料热压成型工艺技术水平、热压成型工艺技术水平的影响因素分析、目前热压成型工艺技术水平现状概述以及结论与展望。
第二部分将介绍热压成型的定义和原理，以及它在不同领域中的应用。
第三部分将详细分析影响热压成型工艺技术水平的因素，包括材料选择与预处理、工艺参数控制与优化以及设备性能与先进技术应用。
第四部分将总结国内外对热压成型工艺技术水平的研究现状，并解析技术难点和挑战。
最后，第五部分将对复合材料热压成型技术水平进行总结，并对未来的发展进行展望。
1.3 目的本文旨在全面了解复合材料的热压成型工艺技术水平，并分析其影响因素，从而为该领域的技术发展提供参考。
通过梳理国内外研究现状，揭示出当前存在的技术难题和挑战，并预测未来的发展趋势，以期为相关领域的科研人员和企业提供有价值的指导和启示。
2. 复合材料的热压成型工艺技术水平2.1 热压成型的定义和原理热压成型是一种常见的复合材料成型方法，通过在高温和高压条件下将预浸料或干布加热至树脂固化温度，使树脂固化并与纤维增强材料结合，在模具内形成所需形状。
热压成型基于树脂熔融流动性质以及压力和温度对材料行为的影响。
在加热过程中，树脂变得粘稠，并且能够填充纤维增强材料之间的空隙。
同时，施加的高压可提供更好的力学性能和纤维层间结合，从而实现更好的强度和刚度。
2.2 热压成型的应用领域热压成型广泛应用于航空航天、汽车、电子、建筑等许多领域中。
由于其能够提供优异的强度-重量比和刚度-重量比，它被视为一种有效替代传统金属制造方法的先进工艺。
在航空航天领域，热压成型被广泛应用于飞机结构的制造，如机身、机翼和尾翼等。
先进复合材料热压罐共固化技术的低成本工程以热压罐成型技术为主制造的航空先进复合材料结构件在各类飞机制造上都不同程度进入了批量生产阶段，有的型号已生产了数百架份的先进复合材料结构件，并经过了十多年的使用考核，为进一步扩大先进复合材料在飞机上的应用提供了实用的工程经验。
但我们必须清醒看到，先进复合材料的制造成本居高不下、批产中质量的不一致性、对先进复合材料特性缺乏足够的认识等仍然是阻碍先进复合材料在飞机上扩大应用的主要因素，这也是我国航空先进复合材料与先进国家航空复合材料应用差距巨大的问题所在。
因此，立足现有的热压罐法，如何降低其制造成本是我们的当务之急，如选用工艺特性优良的树脂体系、国产辅助材料的采用、成型模具的结构优化以及过程细节的严格控制等，都可以在降低制造成本的同时，明显的提高制件的合格率。
本课题针对先进复合材料共固化技术成型的产品，从材料开发、工艺优化、性能检测到售后服务等环节，以低成本为主导线，详细描述了一个热压罐共固化技术工程化的范例，达到了在热压罐成型方面明显降低制造成本的目的。
技术难点复合材料共固化技术要进入工程化，必须从材料、工艺、检测和售后等环节入手，高产品质量与低制造成本并行研究，高生产效率与低缺陷率并行考虑，建立低成本、高质量、高效率和低缺陷的复合材料工程化制造体系，达到整个工程的低成本化、技术完整化。
先进复合材料共固化技术工程化要实现低制造成本必须攻克的技术难点主要有：（1）低成本的原材料货源和多品种预浸料的开发与储备；（2）共固化技术所需辅助材料的国产化研究；（3）共固化成型工艺的优化；（4）产品性能检测项目的合理性以及产品质量的保证；（5）先进复合材料制品缺陷修复手段和修复后的性能表征。
技术方案1 多品种预浸料的开发由于复合材料的基体用原材料性能不稳定，加上材料体系易受运输、保管等因素的影响，使得预浸料的工艺性能出现较大的差异，从而影响先进复合材料的内部质量。
此外，先进复合材料件在固化过程中出现的某些局部缺陷，由于很难找到一种与之性能相当的树脂体系对其进行修复，构件因不能满足产品技术要求而无法使用，增加了构件的制造成本。
复合材料热压罐技术原理
复合材料热压罐技术是一种先进的复合材料成型工艺，主要应用于航空、航天、电子、兵器等领域。
该技术通过真空袋封装和热压罐设备，实现复合材料制件的均匀温度和压力分布，从而制备出表面质量和内部质量高、形状复杂、面积巨大的复合材料制件。
其技术原理如下：
1. 预浸料准备：预浸料是将增强纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）与树脂基体（如环氧树脂、酚醛树脂等）混合后，经过一定的工艺处理制成的。
预浸料的质量直接影响到最终复合材料制件的质量。
2. 铺层设计：根据复合材料制件的结构和性能要求，设计合适的铺层顺序和厚度。
铺层设计对于制件的强度、刚度和疲劳性能等具有重要影响。
3. 真空袋封装：将预浸料按照设计的铺层顺序铺设在模具上，然后用真空袋将其密封。
真空袋可以有效地防止空气和水蒸气进入复合材料制件，确保制件的密实性和均匀性。
4. 热压罐设备升温、加压：将封装好的模具放置在热压罐中，热压罐设备会按照设定的升温速率对模具进行加热，同时施加压力。
这样可以使预浸料中的树脂基体发生固化反应，形成复合材料制件。
5. 保温、降温：在达到一定的温度和压力后，保持一段时间以使树脂充分固化。
随后，热压罐设备会按照设定的降温速率将模具冷却至室温。
6. 卸压、脱模：待模具冷却至室温后，卸除压力，然后脱模得
到复合材料制件。
总之，复合材料热压罐技术原理主要是通过控制温度、压力和时间等参数，实现树脂基体的固化反应，从而制备出具有高性能的复合材料制件。
预浸料热压罐成型工艺预浸料热压罐成型工艺1. 介绍预浸料热压罐成型工艺是一种先进的复合材料成型技术，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。
本文将深入探讨预浸料热压罐成型工艺的原理、应用以及优缺点。
2. 原理预浸料热压罐成型工艺是一种将纤维增强复合材料与树脂预浸料结合，经过加热和压力处理来实现成型的工艺。
预浸料是将纤维和树脂提前混合搅拌，并在其固化之前储存的一种材料。
在成型过程中，预浸料被放置在模具中，经过加热和高压处理，树脂固化并与纤维形成坚固的结合，最终得到所需的复合材料产品。
3. 应用预浸料热压罐成型工艺在航空航天领域得到广泛运用。
由于其制造的产品具有高强度、轻量化和耐腐蚀性能，能够满足飞机、航天器等高性能应用的需求。
预浸料热压罐成型工艺也逐渐应用于汽车、船舶等领域，用于制造车身结构、内饰件等。
4. 优点预浸料热压罐成型工艺具有以下优点：- 高性能：由于树脂预浸料事先经过完全浸润纤维，成型后的产品具有优异的力学性能，如高强度和刚度。
- 轻量化：相比于传统金属材料，预浸料热压罐成型的产品重量更轻，能够实现结构的重量减轻，提高工作效率和节能。
- 过程可控性：成型过程中的加热、压力等参数可以精确控制，确保产品的一致性和质量稳定性。
- 设计自由度高：预浸料热压罐成型工艺可以实现复杂形状的产品制造，满足不同应用领域对产品外形和结构的要求。
5. 缺点预浸料热压罐成型工艺也存在一些局限性：- 成本高：与传统的复合材料成型工艺相比，预浸料热压罐成型的工艺过程较为复杂，需要较高的设备投资和人工成本。
- 环境影响：树脂预浸料制备过程中可能需要使用有机溶剂等化学物品，对环境造成一定的影响。
- 周期较长：预浸料的固化需要一定的时间，导致成型周期较长，不适用于快速成型需求。
6. 总结预浸料热压罐成型工艺是一种先进的复合材料成型技术，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。
该工艺通过将纤维增强材料与树脂预浸料结合，经过加热和压力处理来实现成型，制造出具有高强度、轻量化和耐腐蚀性能的产品。
新型复合材料在飞行器制造中的应用研究在现代航空航天领域，飞行器的性能和质量要求不断提高，新型复合材料因其出色的性能特点，在飞行器制造中扮演着日益重要的角色。
这些材料不仅能够减轻飞行器的重量，提高燃油效率，还能增强结构强度和耐久性，为飞行器的设计和制造带来了全新的可能性。
一、新型复合材料的种类及特点1、碳纤维增强复合材料（CFRP）碳纤维增强复合材料是由碳纤维与树脂基体复合而成。
碳纤维具有高强度、高模量的特点，而树脂基体则提供了良好的韧性和耐腐蚀性。
CFRP 的比强度和比模量远高于传统金属材料，使其在减轻飞行器结构重量方面表现出色。
同时，它还具有良好的抗疲劳性能和抗腐蚀性能，能够延长飞行器的使用寿命。
2、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）玻璃纤维增强复合材料由玻璃纤维和树脂基体组成。
虽然其性能不如碳纤维增强复合材料，但具有成本较低、加工性能好等优点。
在一些对性能要求不是特别高的飞行器部件中，如非承力结构件、内饰件等，GFRP 得到了广泛应用。
3、芳纶纤维增强复合材料（AFRP）芳纶纤维具有优异的抗冲击性能和耐高温性能，与树脂基体复合后形成的 AFRP 在防弹、抗冲击防护等方面具有独特的优势。
在飞行器制造中，AFRP 常用于制造飞机的舱门、机翼前缘等部位，以提高飞行器的抗冲击能力和安全性。
4、陶瓷基复合材料（CMC）陶瓷基复合材料具有耐高温、高强度、抗氧化等优异性能，适用于飞行器的高温部件，如发动机热端部件、燃烧室等。
CMC 能够承受高温燃气的冲刷和腐蚀，提高发动机的工作效率和可靠性。
二、新型复合材料在飞行器结构中的应用1、机翼和机身结构新型复合材料在机翼和机身结构中的应用可以显著减轻重量，提高结构效率。
例如，波音 787 客机的机身结构大量采用了 CFRP，其重量比传统铝合金机身减轻了 20%左右，大大降低了燃油消耗。
同时，复合材料的可设计性使得机翼和机身的气动外形能够得到更精确的优化，提高了飞行器的飞行性能。
先进复合材料热压罐成型技术
苏鹏;崔文峰
【摘要】近年来,随着复合材料在航空航天中的广泛应用,其加工制造理论和技术水平在逐步提高.其中,热压罐成型技术是复合材料结构成型中较为成熟的方法,在航空航天产品中广泛应用.但是,由于现代大型飞机中应用的复合材料整体构件轮廓复杂度越来越高,尺寸也越来越大,传统热压罐成型技术已经无法满足制造实际应用需求.因此,为提高制品的质量和工作效率,热压罐成型工艺的改进和优化依然是当前主要的途径.本文根据传统热压罐成型工艺流程和特点,从提高产品质量和效率的角度分析其工艺过程,针对下料环节、温度控制环节、压力控制环节以及模具设计等关键技术,给出现阶段的最新研究进展.
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2016(000)011
【总页数】2页(P165-166)
【关键词】航空航天;复合材料;热压罐成型技术;温度场控制技术
【作者】苏鹏;崔文峰
【作者单位】大连长丰实业总公司,大连 116038;大连长丰实业总公司,大连116038
【正文语种】中文
热压罐成型工艺的工作原理是利用罐内的高温压缩气体产生的压力对复合材料坯料进行加热加压以完成固化成型。
热压罐成型系统是由罐体、冷却系统、真空系统、
压力系统、加热系统、密封系统和控制系统构成。
表1是热压罐各个系统的技术要求，该技术要求的满足可使热压罐罐内压力和温度均匀分布。
热压罐工艺流程：①预浸料下料（裁剪）；②铺叠毛坯；③抽真空预压实（坯料与模具贴合）；④（组装）固化；⑤（降温）脱模；⑥无损检测；⑦切边打磨；⑧称重。
当前，在热压罐抽真空压实环节借助真空袋与模具之间抽真空形成的负压，对复合材料坯料进行加压。
现已经发展成熟的技术有真空袋成型法、压力袋成型法和双真空袋成型法。
其中，真空袋成型法加压不大于0.1MPa，只适用于薄板制作或者蜂窝夹层结构。
缺点是制品外形表面质量精度较差。
压力袋成型法是通过向橡皮囊构成的压力袋（气压室）内注入压缩气体实现对复材坯料的加压，压力可达0.25～0.5MPa，特点是对模具的刚度和强度要求高，制品的机械性能好于真空袋成型法制品。
双真空袋压成型法起源于美国空军，采用湿法环氧预浸料对飞机复合材料结构修补。
它有两套真空系统，适用于挥发分含量较高的树脂体系，如酚醛和聚酰亚胺。
热压罐成型工艺已由最初制备飞机承力较小的构件扩张到垂尾，方向舵和平尾发展到当前的机翼、机身等主承力结构。
综合热压罐的技术要求和工艺特点，热压罐成型工艺的优点有：①热压罐内的温度和压力均匀变化，保证了固化过程制品受热均匀；②使用范围广泛，模具相对比较简单，效率高，适合大面积复杂型面的蒙皮、壁板和机身的成型；③热压罐内的温度、压力几乎能满足所有聚合物基复合材料的成型工艺要求，如低温成型的聚酯基复材、高温高压成型的聚酰亚胺等；④成型工艺稳定可靠。
缺点有：①采用人工铺叠和下料效率低，耗时长，劳动强度大，废料较多；②固化过程中用到的辅助材料价格昂贵。
热压罐成型过程中，具有较大调控和改进空间的工艺有：预浸料下料环节、加热环节、加压环节和模具材料和设计。
2.1 工艺研究进展
热压罐成型工艺的整体成型技术采用共固化/共胶接的方式，大大减少了零件、紧
固件的数目，实现了复合材料从结构设计到制造一体化成型，易于实现翼身融合气动布局，增加机体表面光滑完整程度，避免因钻孔引起的构件加工损伤。
同时，还可减轻飞机结构的质量，降低制造成本。
其中，最为关键的是各个构件之间连接区域的制造质量。
2.2 热压罐温度场研究进展
王永贵等[2-3]对框架式模具温度变化规律进行了模拟和实验测试，发现升温时模
具上高温区在进风端处，低温区在模具中间，而降温时得到的结论和升温时得到的结论相反。
所以，温度的不均匀是复合材料产生早期破坏的主要原因，也是影响复合材料构件质量的关键因素。
Hakan Ucan[4]提出一种“Masterbox”作为热压
罐工艺在线控制系统，可借助有效的传感器和调节器，实现碳纤维增强树脂基复合材料固化工艺的智能优化。
2016年贾云超等[5]利用CATIA软件建立了热压罐模型，并用FLUENT软件进行了温度场的模拟，运用控制变量法发现：①气流流速
增加，可减小工装表面的温差；②升温速率的增加，影响制品质量；③低比热容、高热导率的工装材料，有利于提高制品质量。
2.3 热压罐加压环节的研究进展
热压罐工艺中，加压点的确定直接影响复合材料的性能。
包建文等[6]因热压罐成
型工艺加压点的不确定这一特点，采用凝胶时间理论对某种型号的复合材料运用两种工艺进行成型，发现当反应程度参数小于凝胶参数时，加压成型的复材内部缺陷减低。
因此，利用理论可准确估算出树脂基复材的固化反应程度，从而确定加压点，提高产品质量。
刘小龙等[7]利用Flexiforce薄膜压力传感器建立密实压力在线测
试系统。
该系统获得树脂基复合材料成型过程中密实压力数据，为进一步优化复合材料成型工艺参数和模具方案提供重要依据。
李艳霞等[8]提到，压力测量胶片可
用于定性分析模具传压效率。
2.4 热压罐模具的研究进展
模具是目前热压罐成型工艺中的重要组成部分。
模具要和材料一起放入高温高压的罐内进行固化，这对模具的性能要求极高，因此模具的改进将大大提高构件的质量。
一方面模具的制造原材料有很多，如殷钢（承受温度540℃）、单晶石墨（承受
温度430℃）、钢、陶瓷等。
贾云超等[5]对热压罐温度场建模时提出，低比热容、高热导率的工装材料有利于提高制品质量。
另一方面，由于某些模具的结构复杂，需要利用软件数值模拟，因此采用数字化设计和加工将极大减少模具制造的时间，并且能优化模具，从而提高热压罐成型工艺制品的质量。
岳广全等[9]指出：①模
具的热传导性能不佳，会使得构件变形；②模具的膨胀系数对尺寸较大的构件影响较多；③模具的结构形式影响构件表面温度的分布。
韩培培等[10]利用CATIA软
件对复合材料U型梁成型模具及模具材料进行选择，并对材料的热膨胀系数、结
构形式、回弹角以及脱模等因素进行了优化设计。
目前，模具数字化制造可采用的方法主要有CAPP、数控加工和数字化检测。
2.5 综合工艺的发展
预浸料下料和铺叠大多采用人工，但人工操做效率低，产生的废料多，工耗长，劳动强度大。
自动铺带技术（ATL）是通过数控技术将有隔离背衬纸的单向预浸料在铺带头的作用下，完成预浸带的剪裁、定位、铺叠和辊压，进而直接铺叠到模具表面的数字化技术。
该技术可减少人工操作的劳动力成本和原材料的浪费。
但是，国内该项技术应用并不广泛，且维护费用昂贵，设备复杂。
因此，对于大型连续生产企业可选择该技术；对于科研或者小型企业，可结合人工和自动铺带技术的特点进行创新。
热压罐成型工艺是航空领域内复合材料，尤其是树脂基复合材料构件成型应用最广泛也最成熟工艺之一。
随着理论知识的不断补充，新技术的竞争，市场的需求，迫
使传统工艺更进一步发展。
热压罐工艺流程中升温环节、加压环节、预浸料下料铺叠和模具，都可调控优化。
通过模拟热压罐成型工艺的温度场、压力检测以及模具的性能检测，提高复合材料构件的质量和工作效率，具有重要意义。
热压罐成型工艺的升级优化，势必成为一个重要的研究方向。
【相关文献】
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