復(fù)材制件固化過程溫度控制的探討與實踐

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

溫度是影響復(fù)合材料零件成型質(zhì)量的一個重要因素，零件內(nèi)部的溫度場分布一直是復(fù)材領(lǐng)域的一個研究熱點。零件固化過程的不可逆性使得固化溫度、真空、加壓時機(jī)、恒溫時間等固化參數(shù)的過程控制至關(guān)重要；其中，固化溫度的控制尤為關(guān)鍵[1]。在國內(nèi)外的相關(guān)研究中，學(xué)者們主要研究了理論模型中溫度在復(fù)合材料成型中的分布[2-6]。楊云仙等[7]從復(fù)合材料零件在熱壓罐內(nèi)的加熱/控溫方式和加熱速率等方面探討了零件在熱壓罐內(nèi)的溫度場影響因素。

以上工作主要集中于理論方面和熱壓罐控溫因素的研究，而零件-工裝體系在熱壓罐里的內(nèi)在溫度控制因素卻未見報道。目前，工業(yè)生產(chǎn)使用的加熱設(shè)備是根據(jù)零件-工裝體系最慢溫度點（滯后點）達(dá)到固化溫度作為開始固化程序的依據(jù)，以最快溫度點（超前點）的熱電偶達(dá)到固化溫度直至固化結(jié)束的時間作為總的固化時間。因此，準(zhǔn)確地掌握零件超前、滯后溫度點才能順利進(jìn)行零件固化，從而對制件最終外觀及內(nèi)部質(zhì)量起著決定性的作用[8-9]。

本文以實際生產(chǎn)中典型碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料為研究對象，選取了兩種材質(zhì)的工裝，對不同構(gòu)型工裝和零件的固化過程進(jìn)行監(jiān)控，通過分析零件成型過程中溫度控制因素，最終得出該類復(fù)材制件固化時零件溫度控制的一般規(guī)律。

試驗裝置與方法

本文按照圖1的研究思路對環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料制件熱分布進(jìn)行了研究。環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料零件固化采取常見的熱壓罐-真空袋固化方式，典型熱壓罐結(jié)構(gòu)及原理如圖2所示。

為了使零件-工裝體系受熱均勻，消除罐內(nèi)擺放位置不同帶來的操作誤差，本文所有的試驗件固化體系罐內(nèi)擺放位置為中心受熱區(qū)域，見圖3。

結(jié)果與討論

1 工裝構(gòu)型對溫度控制的影響

1.1 不同材質(zhì)工裝導(dǎo)熱率的影響

常見的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料零件工裝的材質(zhì)分為鋼和鋁兩種。根據(jù)傅立葉定律，物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的計算公式為：

式中，x為熱流方向；qx''為該方向上的熱流密度，W/m2；?T/?x為該方向上的溫度梯度，K/m；導(dǎo)熱系數(shù)的單位為W/（m·K），它代表了物質(zhì)傳熱的能力。工程上常用的鋁材[10]、鋼材[11]和T300碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料[12-13]的導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

由表1可知，碳纖維/環(huán)氧復(fù)材制件在鋪疊工裝上的熱傳導(dǎo)率主要受工裝材質(zhì)的影響。本文選取了國外某項目型號零件為試驗樣本（簡稱A、B項目），進(jìn)行了對比試驗。

A項目零件采用鋁工裝進(jìn)行鋪疊固化，B項目零件采用鋼工裝進(jìn)行鋪疊固化；A、B項目零件形狀均為平板，尺寸相近，且主材均為碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，工裝均為等厚度平板類型；兩項目零件固化時分別都放置在熱壓罐正中間區(qū)域，保證其受熱均勻。進(jìn)行試驗時，在充分考慮兩個項目工裝-零件體系的溫度測試點的前提下，對零件固化熱性能進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控使用常用的國產(chǎn)J型熱電偶（thermocouple，TC）。熱電偶測試位置見圖4。

經(jīng)過固化后數(shù)據(jù)收集、分析，得到的結(jié)果如表2所示。A、B項目零件固化曲線見圖5。由表2可知，雖然兩個零件體系固化參數(shù)有所不同，但是圖5中兩項目零件固化后的數(shù)據(jù)仍然表明：A項目零件最快與最慢區(qū)域之間的溫差相對較小，B項目零件最快與最慢區(qū)域之間的溫差相對較大。這證明鋁工裝-零件體系升溫均勻性好，有利于零件各部分同時達(dá)到固化溫度。

1.2 不同構(gòu)型的工裝影響

以B項目（鋼結(jié)構(gòu)）工裝為研究樣本，選取了工裝a、b、c、d。其中，a和b工裝、c和d工裝生產(chǎn)的零件構(gòu)型基本一致，工裝結(jié)構(gòu)見圖6。

本組試驗中，4個零件的主材均為碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料，所用的固化參數(shù)均一致，在熱壓罐內(nèi)的擺放位置都處于正中間，保證受熱均勻。經(jīng)固化數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表3所示。

圖1 復(fù)材零件溫度測試流程圖Fig.1 Flow chart of composite part temperature control

圖2 典型熱壓罐結(jié)構(gòu)及工作原理Fig.2 Typical structure and work principle of autoclave

圖3 零件-工裝體系罐內(nèi)擺放位置Fig.3 Part-tool location in autoclave

表1 部分材料導(dǎo)熱系數(shù)

由表3可知，在相同的固化參數(shù)條件下，帶有封閉空腔體系的b、d類工裝比a、c類工裝升溫更慢，有封閉空腔的零件工裝體系受到空腔氣流“保溫”效應(yīng)，導(dǎo)致升溫、降溫過程都遲滯于非空腔結(jié)構(gòu)。因此，在后續(xù)研究空腔體系零件溫度場變化時，應(yīng)充分考慮工裝結(jié)構(gòu)對溫度滯后點的影響。

圖4 A、B項目溫度測試點分布圖Fig.4 Temperature test points of program A and B

表2 A、B項目零件固化數(shù)據(jù)

圖5 A、B項目固化曲線Fig.5 Cure curves of program A and B

2 零件結(jié)構(gòu)對溫度控制的影響

2.1 夾芯與層壓板結(jié)構(gòu)的影響

本節(jié)以B項目（鋼結(jié)構(gòu)）工裝為研究樣本，選取了e類（夾芯）和f類（層壓板）零件為研究樣本，它們的固化參數(shù)、零件類型以及工裝在熱壓罐內(nèi)的擺放位置均相同。對于f類零件，受熱傳導(dǎo)“邊緣效應(yīng)”的影響，4角的區(qū)域會優(yōu)先產(chǎn)生熱效應(yīng)，溫度也沿周邊到中心的方向形成梯度，其測試點分布見圖7。

對于e類零件，不僅要考慮“邊緣效應(yīng)”，還要考慮夾芯結(jié)構(gòu)部分的溫度傳導(dǎo)。如圖7所示，夾芯區(qū)域?qū)儆谥锌战Y(jié)構(gòu)，當(dāng)零件外部受熱后，熱能傳導(dǎo)進(jìn)入中空部分，會在此形成封閉的熱能集中，導(dǎo)致產(chǎn)生類似于工裝空腔結(jié)構(gòu)的遲滯效應(yīng)，從而產(chǎn)生滯后點。于是，在此結(jié)構(gòu)區(qū)域必須設(shè)計測試點，驗證溫度的滯后性。e類零件的測試點分布見圖8。

經(jīng)過固化數(shù)據(jù)收集與分析，結(jié)果如表4所示。可知，夾芯零件的升、降溫速率會略小于層壓板零件，這應(yīng)該是由其夾芯結(jié)構(gòu)的溫度遲滯效應(yīng)造成的；同時，因為夾芯結(jié)構(gòu)的存在，致使零件工裝體系的溫度滯后點從零件冷端前移至夾芯結(jié)構(gòu)處；雖然夾芯結(jié)構(gòu)靠近零件熱流端，但是由于芯材腔體產(chǎn)生的溫度遲滯，此處才是該體系的滯后點。零件生產(chǎn)時，應(yīng)該監(jiān)控此處的溫度變化，從而掌控整個零件的固化進(jìn)程。

圖6 相似類型、不同結(jié)構(gòu)工裝截面Fig.6 Similar type and different structure of tools

圖7 夾芯結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.7 Cross section view of sandwich structure

圖8 e、f 類零件溫度測試點分布Fig.8 Temperature test points on e and f kind of parts

表3 4類零件工裝固化數(shù)據(jù)分析

表4 e、f類零件固化數(shù)據(jù)分析

2.2 芯材厚度的影響

本節(jié)以B項目（鋼結(jié)構(gòu)）工裝為研究樣本，選取了g類零件為研究樣本。該零件為壁板類結(jié)構(gòu)，共有5塊芯材，且芯材厚度不均。試驗時，對不同厚度的芯材結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度測試，測試位點分布及芯材厚度見圖9。

如圖9所示，在充分考慮零件邊緣測試點的情況下，選擇最厚的12mm 芯材（TC7、TC8、TC16）、更靠近冷端的10mm芯材（TC15）以及更靠近冷端的8mm芯材（TC14）處，分別放置測試熱電偶（統(tǒng)一放置于蜂窩芯下）。測試結(jié)果表明，超前熱電偶仍然位于零件熱流端，其余考察點位固化數(shù)據(jù)如表5和圖10所示。

由表5可知，位于零件中部、芯材最厚的位置是該零件工裝體系滯后溫度點的所在。雖然TC14處于最冷端的位置，距離熱端約8000mm，但是其遲滯效應(yīng)并沒有TC7處明顯，因此此類零件工裝體系應(yīng)將最厚芯材處作為滯后點的考察范圍。

3 熱電偶熱端模擬方式的影響

本文選取的零件樣本均作為試驗件用于固化數(shù)據(jù)收集、分析。但是在正常生產(chǎn)中，零件以交付為目的，不能在凈切割邊以內(nèi)安放熱電偶；作為超前熱電偶，可以將超前點設(shè)計在余量線外，但是作為滯后點，往往會出現(xiàn)在零件中部區(qū)域或者夾芯結(jié)構(gòu)處，需要設(shè)計相應(yīng)的工裝模擬熱電偶，用于替代此處的滯后點。

具體做法為：在工裝模板下對應(yīng)于疑似溫度滯后點處安放工裝熱電偶，并用不同層數(shù)的隔熱材料進(jìn)行包裹以減緩其升溫速率，從而使之趨近該點零件溫度。滯后溫度設(shè)為Tmin，工裝熱電偶溫度設(shè)為t,測試結(jié)果若Tmin＞t，且二者測試數(shù)據(jù)接近，則零件制造過程中可以用t替代Tmin。

生產(chǎn)中常見的隔熱材料有干玻璃布與硅橡膠兩類，本文選用此兩種材料與碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料作為研究對象，分析其隔熱性能。3類材料的導(dǎo)熱系數(shù)見表6。

圖9 g類零件溫度測試點分布Fig.9 Test points of temperature control on g kind of parts

圖10 g類零件固化溫度曲線Fig.10 Cure curve of g kind of parts

表5 g類零件固化數(shù)據(jù)分析

表6 3類材料的導(dǎo)熱系數(shù)

圖11 b類零件工裝模擬點設(shè)計圖Fig.11 Simulation points on tool for b kind of part

由表6可知，干玻璃布的導(dǎo)熱系數(shù)最低，可以選用此種材料作為試驗對象。以B項目的b類零件為試驗樣本，在圖11所示的零件體系上設(shè)計了3處工裝模擬點，零件上對應(yīng)的3處位置已在前期試驗中被驗證為溫度滯后效應(yīng)集中區(qū)域。

其中，TC6、TC8、TC11這 3處為對應(yīng)于TC7、TC9、TC10 3處的工裝模擬點。根據(jù)試驗件生產(chǎn)經(jīng)驗，在此3處位置分別設(shè)計了30、40、50層干玻璃布隔熱層，用于研究隔熱層厚度的影響，隔熱包裹方式見圖12，上下使用相同層數(shù)玻璃布包裹，再使用膠帶固定在工裝下。經(jīng)固化數(shù)據(jù)收集分析后，結(jié)果見圖13。模擬點的固化數(shù)據(jù)分析見表7。零件上熱電偶的固化數(shù)據(jù)見表8。

由表7、8可知，零件滯后點在TC9處，而 TC6、TC8、TC11 3處的模擬數(shù)據(jù)也表明只有當(dāng)模擬層數(shù)超過50層時，模擬數(shù)據(jù)才能代表零件的滯后點數(shù)據(jù)。因此，在后續(xù)的試驗設(shè)計時，必須考慮不同隔熱層對零件滯后點的模擬效果。

圖12 玻璃布隔熱包裹方式Fig.12 Insulation method of glass fiber

圖13 固化數(shù)據(jù)分析Fig.13 Analysis of cure data

表7 模擬點固化數(shù)據(jù)分析

表8 被模擬點的固化數(shù)據(jù)分析

結(jié)論

本文通過大量生產(chǎn)試驗與理論分析相結(jié)合，創(chuàng)造出一種成熟的零件固化溫度控制分析方法，總結(jié)出了熱壓罐固化時零件溫度控制的一般規(guī)律。為后續(xù)同類型零件的溫度控制研究打下了堅實基礎(chǔ)。總結(jié)為以下幾點：

（1）鋁工裝熱溫均勻性要高于鋼工裝，且零件加熱速率要高于后者。帶封閉空腔結(jié)構(gòu)的零件體系熱效應(yīng)要低于非空腔結(jié)構(gòu)的零件體系。

（2）夾芯結(jié)構(gòu)的零件工裝體系較同類型非夾芯結(jié)構(gòu)零件體系，其滯后點的選擇必須考慮夾芯結(jié)構(gòu)處的影響；芯材的厚度對零件溫度控制也具有一定的影響，在具有多處夾芯結(jié)構(gòu)的零件體系中，應(yīng)充分考慮較厚芯材處的溫度變化。

（3）零件的溫度滯后點需設(shè)計工裝模擬點，而模擬點的隔熱層材料及厚度決定了是否能準(zhǔn)確實現(xiàn)溫度替代；設(shè)計工裝模擬熱電偶時，必須考慮隔熱層材料以及隔熱層數(shù)對零件滯后點的模擬效果，只有正確選擇材料與層數(shù)，才能得到合理的模擬效果。

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