1概述
碳纖維復合材料（CFRP）具有優(yōu)異的機械性能和物理性能，是應用于航空、航天、兵器、電子等領域重要的結(jié)構(gòu)材料。CFRP桿、管結(jié)構(gòu)是組成復合材料構(gòu)架的一種典型單元，是航空、航天器結(jié)構(gòu)中常用的結(jié)構(gòu)組件。如空間的桁架結(jié)構(gòu)常用CFRP管和鈦合金制造，地球同步軌道衛(wèi)星上的小發(fā)動機支架用圓管支撐，大型衛(wèi)星天線的支撐桿大多采用CFRP圓管或方管。某天線的大型復合材料彎曲撐桿難以采用常用復合材料管的成型工藝。根據(jù)其特點及要求，經(jīng)研究采用預浸料鋪層——熱壓罐固化工藝，通過對復合材料鋪層設計、吸膠工藝及熱縮工藝研究，解決了CFRP彎曲桿件的成型和表面質(zhì)量問題。
2成型工藝
CFRP管常用的成型工藝有手糊法、卷管法、纖維纏繞法、預浸布鋪層法等。其中最典型的工藝是纖維纏繞法，在玻璃鋼管道、釣魚竿等制造業(yè)中常用。大型復合材料彎曲撐桿，長度約2m，圓弧半徑約3m。截面為漸變圓形，大端直徑40mm，小端直徑20mm。由于其結(jié)構(gòu)為非軸對稱形狀，如采用纖維纏繞工藝，不僅難度很大，而且纏繞成型后的彎曲撐桿粗糙表面難以加工成光滑表面。其它新型工藝如熱膨脹芯模法，對彎曲撐桿脫模困難。預浸料手工鋪層——熱壓罐工藝一般適用于板件成型，用于制造管件的表面質(zhì)量存在嚴重缺陷，需采取相應的工藝措施。
經(jīng)研究確定采用熱縮工藝，其基本原理是采用熱縮材料的熱縮特性對復合材料進行擠壓，同時熱縮材料抵御輔助封裝材料的皺折對復合材料制件的影響。
首先在剛性芯模外面按材料設計的鋪層數(shù)、鋪層順序鋪放、纏繞碳纖維預浸料，然后進行預吸膠。吸膠后去除吸膠材料，直接在預浸料疊層上加經(jīng)過表面處理過的熱縮套管，在一定工藝條件下進行熱縮。熱縮完成后再將其封裝進熱壓罐固化。最后脫模，剝離熱縮管，得到制品。 其中主要對彎曲芯模的鋪層方式、封裝工藝、預吸膠工藝等進行了大量試驗研究。
3關(guān)鍵技術(shù)
3.1鋪層設計
鋪層設計包括鋪層的層數(shù)、鋪層角度、鋪層順序的設計。鋪層設計決定了復合材料的各項性能。在制件的設計中，主要考慮支撐桿軸向的“零”膨脹系數(shù)要求，并兼顧其強度。考慮到工程設計和制造的實用性，鋪層方向分為軸向和沿管子周向兩種。因為復合材料是各向異性十分突出的材料，其優(yōu)異的物理、力學性能都集中在碳纖維的軸向。碳纖維在軸向和其徑向的線膨脹系數(shù)分別為-0.3×10-6K-1、12×10-6K-1，通過不同的鋪層比例設計可獲得“零”膨脹系數(shù)［1］。在計算中因基體樹脂為各向同性材料，忽略了基體樹脂的膨脹變形。計算結(jié)果，當軸向纖維和徑向纖維的鋪層數(shù)比例為3∶2時，可使復合材料在軸向達到“零”膨脹系數(shù)要求。綜合考慮復合材料桿的強度及鋪層工藝性能要求，確定了鋪層順序。
3.2表面質(zhì)量分析
預浸料鋪層——袋壓工藝成型的管件表面缺陷主要有皺折、條紋及富膠等。復合材料圓管在鋪層時，不可能施加足夠的張力壓緊預浸料疊層塊，鋪層的復合材料相對較松散，厚度也較制成品厚。在成型工藝時，需要加壓以壓緊各層復合材料并使多余的樹脂流出。這時將產(chǎn)生兩個收縮。其一，復合材料疊層塊被壓緊，厚度變薄，外徑變小，周長也相應減少，沿環(huán)向的纖維必然松弛，纖維被壓彎曲、打折。其二，成型中在預浸料疊層塊毛坯上使用的輔助材料，如透氣氈和真空袋裝壓縮時形成皺折和條紋，固化后壓印在復合材料表面上形成皺折。這兩種因素互相影響，綜合作用，形成了CFRP桿的表面缺陷?；谝陨戏治觯仨殢膬煞矫嬷纸鉀Q問題。一是設法盡量在鋪層時壓實復合材料疊層，二是采取措施消除輔助材料皺折對復合材料表面的影響。采取了兩項措施：熱縮工藝和預吸膠工藝。
3.3熱縮工藝
熱縮工藝是采用熱縮管的熱縮特性對復合材料進行均壓。熱收縮材料。熱縮管在加熱時，樹脂軟化，而熱縮管達到收縮溫度發(fā)生收縮變形，口徑均勻縮小并壓實復合材料疊層塊。在高溫下固化時，熱縮材料能有效地傳遞熱壓罐的壓力，并均勻地消除真空袋及透氣氈的皺折對復合材料的影響。熱縮工藝是指在一定溫度下使熱縮套管收縮完成、壓緊的過程。熱縮工藝的重要參數(shù)是加熱溫度和時間。在確定熱縮工藝時以熱縮材料的收縮性能為根據(jù)，并充分考慮模具的熱容滯后因素，對具體的復合材料制件靈活運用。熱縮材料的熱縮方式有用酒精噴燈、加熱槍及電吹風加熱，也可置于烘箱加熱。針對復合材料成型工藝的特點，要求加熱溫度低，時間盡可能短，盡量減少對樹脂體系凝膠性能的影響。完成收縮后取出迅速冷卻。
3.4預吸膠工藝
預吸膠工藝配合熱縮工藝使用，又稱預壓實工藝。預吸膠是指在固化前，在一定的壓力和溫度等工藝條件下從復合材料疊層塊吸出一定量的樹脂，對復合材料的樹脂含量進行控制。這樣既壓緊了預浸料疊層，又免除了在固化時熱縮管和預浸料疊層之間的吸膠材料。熱縮管和預浸料疊層之間直接接觸。熱縮管的內(nèi)壁狀態(tài)反映于復合材料管的表面，以達到表面光滑、平整的最佳效果。預吸膠工藝的主要參數(shù)為溫度、恒溫時間、壓力。制定合理的工藝，既要完成吸膠的任務，達到壓實的目的，又要盡量減少對復合材料樹脂凝膠性能的影響。
4應用結(jié)果
大量應用后表明，對手工鋪層、熱壓罐固化工藝制造的復合材料彎曲桿，采用該措施后效果明顯。在加熱固化中熱縮管收縮均勻一致，內(nèi)壁平整，有效地消除了透氣氈、真空袋等輔助材料收縮時形成皺折和條紋，固化后復合材料表面無皺折，光滑平整。
碳纖維復合材料（CFRP）具有優(yōu)異的機械性能和物理性能，是應用于航空、航天、兵器、電子等領域重要的結(jié)構(gòu)材料。CFRP桿、管結(jié)構(gòu)是組成復合材料構(gòu)架的一種典型單元，是航空、航天器結(jié)構(gòu)中常用的結(jié)構(gòu)組件。如空間的桁架結(jié)構(gòu)常用CFRP管和鈦合金制造，地球同步軌道衛(wèi)星上的小發(fā)動機支架用圓管支撐，大型衛(wèi)星天線的支撐桿大多采用CFRP圓管或方管。某天線的大型復合材料彎曲撐桿難以采用常用復合材料管的成型工藝。根據(jù)其特點及要求，經(jīng)研究采用預浸料鋪層——熱壓罐固化工藝，通過對復合材料鋪層設計、吸膠工藝及熱縮工藝研究，解決了CFRP彎曲桿件的成型和表面質(zhì)量問題。
2成型工藝
CFRP管常用的成型工藝有手糊法、卷管法、纖維纏繞法、預浸布鋪層法等。其中最典型的工藝是纖維纏繞法，在玻璃鋼管道、釣魚竿等制造業(yè)中常用。大型復合材料彎曲撐桿，長度約2m，圓弧半徑約3m。截面為漸變圓形，大端直徑40mm，小端直徑20mm。由于其結(jié)構(gòu)為非軸對稱形狀，如采用纖維纏繞工藝，不僅難度很大，而且纏繞成型后的彎曲撐桿粗糙表面難以加工成光滑表面。其它新型工藝如熱膨脹芯模法，對彎曲撐桿脫模困難。預浸料手工鋪層——熱壓罐工藝一般適用于板件成型，用于制造管件的表面質(zhì)量存在嚴重缺陷，需采取相應的工藝措施。
經(jīng)研究確定采用熱縮工藝，其基本原理是采用熱縮材料的熱縮特性對復合材料進行擠壓，同時熱縮材料抵御輔助封裝材料的皺折對復合材料制件的影響。
首先在剛性芯模外面按材料設計的鋪層數(shù)、鋪層順序鋪放、纏繞碳纖維預浸料，然后進行預吸膠。吸膠后去除吸膠材料，直接在預浸料疊層上加經(jīng)過表面處理過的熱縮套管，在一定工藝條件下進行熱縮。熱縮完成后再將其封裝進熱壓罐固化。最后脫模，剝離熱縮管，得到制品。 其中主要對彎曲芯模的鋪層方式、封裝工藝、預吸膠工藝等進行了大量試驗研究。
3關(guān)鍵技術(shù)
3.1鋪層設計
鋪層設計包括鋪層的層數(shù)、鋪層角度、鋪層順序的設計。鋪層設計決定了復合材料的各項性能。在制件的設計中，主要考慮支撐桿軸向的“零”膨脹系數(shù)要求，并兼顧其強度。考慮到工程設計和制造的實用性，鋪層方向分為軸向和沿管子周向兩種。因為復合材料是各向異性十分突出的材料，其優(yōu)異的物理、力學性能都集中在碳纖維的軸向。碳纖維在軸向和其徑向的線膨脹系數(shù)分別為-0.3×10-6K-1、12×10-6K-1，通過不同的鋪層比例設計可獲得“零”膨脹系數(shù)［1］。在計算中因基體樹脂為各向同性材料，忽略了基體樹脂的膨脹變形。計算結(jié)果，當軸向纖維和徑向纖維的鋪層數(shù)比例為3∶2時，可使復合材料在軸向達到“零”膨脹系數(shù)要求。綜合考慮復合材料桿的強度及鋪層工藝性能要求，確定了鋪層順序。
3.2表面質(zhì)量分析
預浸料鋪層——袋壓工藝成型的管件表面缺陷主要有皺折、條紋及富膠等。復合材料圓管在鋪層時，不可能施加足夠的張力壓緊預浸料疊層塊，鋪層的復合材料相對較松散，厚度也較制成品厚。在成型工藝時，需要加壓以壓緊各層復合材料并使多余的樹脂流出。這時將產(chǎn)生兩個收縮。其一，復合材料疊層塊被壓緊，厚度變薄，外徑變小，周長也相應減少，沿環(huán)向的纖維必然松弛，纖維被壓彎曲、打折。其二，成型中在預浸料疊層塊毛坯上使用的輔助材料，如透氣氈和真空袋裝壓縮時形成皺折和條紋，固化后壓印在復合材料表面上形成皺折。這兩種因素互相影響，綜合作用，形成了CFRP桿的表面缺陷?；谝陨戏治觯仨殢膬煞矫嬷纸鉀Q問題。一是設法盡量在鋪層時壓實復合材料疊層，二是采取措施消除輔助材料皺折對復合材料表面的影響。采取了兩項措施：熱縮工藝和預吸膠工藝。
3.3熱縮工藝
熱縮工藝是采用熱縮管的熱縮特性對復合材料進行均壓。熱收縮材料。熱縮管在加熱時，樹脂軟化，而熱縮管達到收縮溫度發(fā)生收縮變形，口徑均勻縮小并壓實復合材料疊層塊。在高溫下固化時，熱縮材料能有效地傳遞熱壓罐的壓力，并均勻地消除真空袋及透氣氈的皺折對復合材料的影響。熱縮工藝是指在一定溫度下使熱縮套管收縮完成、壓緊的過程。熱縮工藝的重要參數(shù)是加熱溫度和時間。在確定熱縮工藝時以熱縮材料的收縮性能為根據(jù)，并充分考慮模具的熱容滯后因素，對具體的復合材料制件靈活運用。熱縮材料的熱縮方式有用酒精噴燈、加熱槍及電吹風加熱，也可置于烘箱加熱。針對復合材料成型工藝的特點，要求加熱溫度低，時間盡可能短，盡量減少對樹脂體系凝膠性能的影響。完成收縮后取出迅速冷卻。
3.4預吸膠工藝
預吸膠工藝配合熱縮工藝使用，又稱預壓實工藝。預吸膠是指在固化前，在一定的壓力和溫度等工藝條件下從復合材料疊層塊吸出一定量的樹脂，對復合材料的樹脂含量進行控制。這樣既壓緊了預浸料疊層，又免除了在固化時熱縮管和預浸料疊層之間的吸膠材料。熱縮管和預浸料疊層之間直接接觸。熱縮管的內(nèi)壁狀態(tài)反映于復合材料管的表面，以達到表面光滑、平整的最佳效果。預吸膠工藝的主要參數(shù)為溫度、恒溫時間、壓力。制定合理的工藝，既要完成吸膠的任務，達到壓實的目的，又要盡量減少對復合材料樹脂凝膠性能的影響。
4應用結(jié)果
大量應用后表明，對手工鋪層、熱壓罐固化工藝制造的復合材料彎曲桿，采用該措施后效果明顯。在加熱固化中熱縮管收縮均勻一致，內(nèi)壁平整，有效地消除了透氣氈、真空袋等輔助材料收縮時形成皺折和條紋，固化后復合材料表面無皺折，光滑平整。
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