熱壓罐成型技術在航空領域中的應用

熱壓罐

　　熱壓罐工藝開始於20世紀40年代，在60年代開始廣泛使用，是針對第二代複合材料的生產而研製開發的工藝，尤其在生產蒙皮類零件的時候發揮了巨大的作用，現已作為一種成熟的工藝被廣泛使用。由熱壓罐工藝生產的複合材料佔整個複合材料產量的50%以上，在航空航天領域比重高達80%以上。熱壓罐工藝已經在各個複合材料零部件生產廠被大量使用。

熱壓罐是非金屬複合材料構件製品生產的關鍵工藝設備。由真空系統、壓力系統、冷卻系統、中心控制系統及配套的機械裝置組成。在複合材料製品的固化工序中，根據工藝技術要求，完成對製品的真空、加熱、加壓，達到使製品固化的目的。熱壓罐系統在工作過程中，可在各加溫區和製品的有關部位設立測溫點，溫度分布狀況可由中心控制系統採集、顯示，並按工藝要求調節升溫和降溫速率，以保證製品的固化質量。對於重要產品，在固化時，罐體內採用惰性氣體保護，以防止製品在固化過程中逸出的可燃性揮發物引起燃燒或爆炸。
　　熱壓罐成型是將複合材料毛胚、蜂窩夾芯結構或膠接結構用真空袋密封在模具上，置於熱壓罐中，在真空（或非真空）狀態下，經過升溫、加壓、保溫、降溫和卸壓過程，使其成為所需要求的先進複合材料及其構件的成型方法之一。用熱壓罐成型的複合材料構件多應用於航空航天領域等的主承力和次承力結構。該成型工藝模具簡單、製件密實、尺寸公差小、空隙率低。但是該方法能耗大、輔助材料多、成本高。
　　熱壓罐成型平板複合材料固化制度的制定是真空熱壓罐成型工藝的關鍵。熱壓罐工藝多用於樹脂浸漬平面織物複合材料製件的成型。由於樹脂浸漬平面織物可以採用溶劑法和熱熔法來實現，因此這種工藝方法可以滿足高粘度高性能樹脂基複合材料的成型，但是對於立體織物增強高性能樹脂基複合材料成型而言，熱壓罐工藝方法由於樹脂浸漬的問題而不能實施。

近年來，熱壓罐成型方法被視為「高成本」的複合材料結構製造方法，而被排除於「低成本方法」概念體系之外。其實，熱壓罐成型方法在工程應用上無論在成熟度還是在規模化方面仍是當今航天領域複合材料結構件的主要成型方法，這是由它的特點決定的：
　　（1）罐內壓力和溫度均勻。在它們共同作用下，可滿足複合材料高纖維含量的要求，其複合材料具有較高的力學性能和較穩定的物理性能，例如複合材料結構件的孔隙率低，樹脂含量均勻。
　　（2）熱壓罐成型方法適用範圍廣。例如層壓結構、夾芯結構、膠接結構和縫紉結構。模具相對比較簡單，效率高，尤其適用於大型的具有高性能要求的複合材料結構件的成型。
　　為了滿足飛機樹脂基複合材料的發展，據不完全統計，國內航空主機製造企業已有熱壓罐30餘臺，其中1/3是從國外進口的，生產面積達20萬平米，大多數設備的技術參數和廠房條件可滿足民機複合材料結構件生產的要求。以此成型方法為基礎，在材料改性、工藝參數優化、厚度尺寸和變形控制、模具設計及製造，無損檢測、損傷修復等方面進行了大量的實驗研究，其成果在工程化中得到驗證，並且形成了相關標準規範。近年來飛機對複合材料的性能要求更為苛刻，為了提高複合材料結構件的生產效率和保證複合材料結構件質量的一致性，各主機製造企業先後購置複合材料專用設計/製造軟體（如Fibersim軟體）和與之相配套的預浸料自動下料機、雷射投影儀、自動C掃描無損檢測設備以及五坐標數控鑽銑設備。有的航空企業還購置了或正在購置自動鋪帶機、超聲波蜂窩銑床以及帶柔性夾具的數控加工設備。複合材料結構設計/製造完整的數位化生產線正在被打通，年產85t以上複合材料結構件的生產能力已經形成。
　　至於熱壓罐成型方法如何降低成本，國內也做了不少的研究工作，例如，預浸料「零吸膠」的實現，輔助材料的國產化，共固化模具結構熱效率的提高和組裝形式的優化，結構件進罐的合理組合以及隨爐件測試項目的合理化等方面都有效地促進了製造成本的降低。以某飛機複合材料結構件為例，每生產1kg複合材料結構件，可以節約製造成本1200多元。若在製造大型複合材料結構件中預浸料鋪覆改為採用自動鋪疊，生產效率會明顯提高，製造成本將繼續下降。因此，將其視為「高成本」的製造方法是不準確的，該成型方法經過了30多年的技術發展，其完整性及成熟度無疑對大型飛機結構複合材料的應用進入快行道具有重要的意義。
　　另外，由於真空輔助成型（VARI）工藝在降低複合材料製造成本及大型構件整體成型方面的優勢，近年來受到業界的廣泛重視。國內有關單位開發了適用於VARI工藝的樹脂體系，並驗證了其工藝方法，研究了其複合材料的性能，試製了相關的典型件。儘管該工藝試製的複合材料性能與熱壓罐法的基本相當，但要滿足高性能複合材料結構的要求還有不少的研究工作要做。因此，現階段應發揮熱壓罐加壓固化的優點，彌補VARI工藝真空加壓的不足，揚長避短，這也是降低熱壓罐成型方法製造成本的一條有效技術途徑。