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。同时热压罐工艺也存在一些不足，投资建造大型热压罐的费用很高，需专人操作，成型过程中耗费大量能源，形状复杂的结构不适用热压罐成型工艺，可根据具体情况选择ＲTM低成本成型工艺。
2复合材料热压罐成型工艺缺陷分析
2.1非等厚板材内部质量缺陷分析
工程制造中，对非等厚层板在铺叠时采取多次抽真空压实，可通过预吸胶工艺吸走多余的树脂。梯度宽度减小会增加缺陷的比例，铺层变化应避免突变，阶梯宽度应大于2MM，尽量降低产生缺陷的比例。
2.2曲率构件内部质量缺陷分析
曲率构件包括L型与U型等曲率半径变化较大的构件，由于其本身的曲面结构，其成型过程比平板复杂。弧形构件预浸体系受外界压力后，内部形成应力状态。剪切应力大致拐角区域在密实中纤维发生剪切变形。造成纤维变形。拐角区是缺陷密集区，阴模成型时，铺叠过程中纤维易架桥，拐角易产生富树脂，阳模成型时，拐角厚度偏薄，易造成分层等缺陷。影响拐角区缺陷的主要因素包括材料及铺层设计，受模具圆角半径等影响，圆角半径设计过小可能在拐角区发生纤维拉断等制造缺陷，设计复合材料结构时，拐角处尽量给出较大半径，复合材料层压零件最小圆角半径按经验公式rmin=1+0．1n计算。N为拐角处层数，用阳模铺贴r≥t，用阴模铺贴Ｒ≥2t，Ｒ为圆角半径。t为平板区域的厚度。
2.3热压罐成型工艺复合材料制件外形尺寸超差分析
影响零件外形尺寸的因素主要由固化变形导致的尺寸变化，从变形产生机理可分为热应力，温度梯度与树脂固化度等。复合材料铺层在不同主轴方向具有不同的热膨胀系数，温度改变引起的热膨胀与铺层方式关系密切。
曲率零件即使采用对称铺层，对称铺层弯曲零件受温差δt作用，零件拐角变为θ+δθ。热固性树脂在聚合反应时，交联密度增加伴随体积减小，材料因温度变化效应在应变的各方向并非一致，固化收缩过程中横向收缩应变大于轴向。导致复合材料结构件固化后回弹变形。成型过程中热固性树脂的化学反应速度与所处温度有关，固化早期反应树脂处于粘流态，不产生残余应力。随着温度升高，如果零件各部位温度在固化中无法保持均匀分布，则基体树脂出现的反应将造成树脂模量与固化收缩应变不一致。薄层板差异很小，厚层板由于其低的横向热传导系数、层板中间温度小于表面温度，化学反应热迅速增加，导致差异较大。因此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。
3复合材料热压罐成型工艺优化
3.1成型模具温度均匀性的工艺优化
框架式成型模具由型板面及型板下方支撑结构所组成，其中型板面在热压罐成型工艺过程中直接与复合材料构件及辅助材料接触。支撑结构主要用于保持型面形状稳定，避免产生较大变形。主要包括：通风孔、散热孔、U/V向支撑板。通风孔置于支撑板上端与型板连接处，用于增强型板下表面处空气的流通；散热孔形状常为方形孔，主要用于提高空气的流通及减重；U/V向支撑板为两个方向的支撑板，其中U向方向与进气风口方向垂直，V向与进气风口方向平行。因此为了改善型板表面的温度均匀性，从支撑结构的主要特征出发，通过分别改变散热孔形状、支撑板厚度等方法，研究不同结构因素对型板表面温度均匀性的影响。本文在仿真后处理中从型板表面提取5万个均匀分布的节点温度，计算所有节点中最大温差及所有节点温度方差评价温度均匀性。在研究型板温度均匀性时，需满足模具刚度要求。在考虑温度均匀性同时对模具进行3倍重力起吊仿真变形预测，规范要求最大变形量必须小于0.5mm，因此本文将以此要求作为约束条件。当框架式模具置于热压罐内，在所有的时间历程中，其最大温差为36K，温度方差为71.84K2。若直接将型板置于罐内相同位置进行仿真，发现型板表面的最大温差为13K，温度方差为9.79K2。由此可知，型板下方有支撑结构时必然对成型面温度均匀性起到阻碍作用。此外，当T=10200s时，含支撑结构的型板表面最高温度达到442K，而无支撑结构型板的最高温只有405K；含支撑结构的型板表面最低温度为414K，而无支撑结构的型板最低为392K，且总体低温面积小于含支撑结构的型板低温面积。因此可知，迎风端的支撑板通过热传导及自身阻碍，使得高温区域温度明显升高，而相应的低温区域因为阻碍作用，使得温度难以上升。
3.2树脂膜溶渗（RFI）工艺的应用
RFI工艺则介于VARI工艺和热压罐工艺之间，其树脂基体为预浸料树脂，只是省去了预浸料的制备工艺，将预浸料树脂制备成树脂膜后铺在增强材料之下或增强材料层之间，然后在热压罐的热和压力下渗透浸润增强材料并固化成型。RFI是一种适合大型构件整体成型的液体成型技术，与其他树脂基复合材料成型工艺方法相比，具有如下优点：1）可结合缝合技术实现层间增强、提高结构完整性，通过减少紧固件的数量和装配工作量，大大降低复合材料的制造成本；2）增强材料选用具有高度的灵活性和组合性，可以是短切纤维、连续纤维、三维针织物及三维编织物，赋型性高；3）树脂分布均匀，浸渍路线短，成型制品孔隙率低（0～2%），纤维含量高（近60%），产品整体性能优异；4）树脂膜便于贮存和运输，操作简便，加工周期短，废品率低，可经济快速地成型尺寸大、精度要求较高的制品；5）RFI工艺不采用预浸料，树脂体系挥发物少，几乎不会对环境和人体造成污染。
结语
非等厚板材梯度区是内部质量缺陷的主要区域，与树脂的二维流动有关，合理的铺层设计可有效解决缺陷。曲率构件拐角区是缺陷产生的密集区，通过合理的设计模具，可大大改善产品质量。成型模具与零件相互作用等是影响固化变形的主要因素，模具结构设计优化及生产过程控制等是减少零件变形的有效方法。参考文献
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