S型環(huán)控管道的碳纖維復合材料制造工藝試驗

徐竹 王世峰

摘 ? ? ?要：以某武裝直升機S型環(huán)控管道為研究對象，選用具有阻燃特性的碳纖維復合材料預浸料，采用充氣芯模+陰模特殊結(jié)構(gòu)的成型模具完成制造工藝試驗。試驗中充氣芯模采用充氣袋，外形為復合材料制件的內(nèi)腔體形狀，金屬陰模結(jié)構(gòu)為框架式模具，分為上、下模兩部分，鋪層方案采用管道整體鋪層和翻邊部分鋪層兩部分完成。試驗過程中鋪層完成后在鋪層內(nèi)腔放置充氣芯模，然后連接氣源裝置進行充氣，經(jīng)過反復充氣試驗后，最優(yōu)化的氣壓大小為2.5 MPa。合模后的裝置加壓調(diào)整好后采用烘箱固化，在烘箱中緩慢升溫至125 ℃保溫2 h固化得到制品。本試驗所得S型環(huán)控彎管表面光順、法蘭邊緣整齊，厚度符合圖紙要求，整體尺寸公差符合要求。用存水的方法檢驗S型環(huán)控彎管的密封性，結(jié)果顯示沒有漏水、滲水現(xiàn)象。

關(guān) ?鍵 ?詞：S型環(huán)控管道; 碳纖維; 復合材料; 充氣芯模; 制造

中圖分類號：TQ050.4+3 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）04-0584-04

Abstract： Taking the S-type environmental control pipeline of an armed helicopter as the research object， the carbon fiber composite prepreg with flame retardant characteristics was chosen， and the manufacturing process test was completed with the special structure of inflatable core mould and negative mould. In the experiment， the pneumatic core mould was made of pneumatic bag， which was shaped as the inner cavity of composite parts. The metal negative mould structure was a frame mould， which was divided into upper and lower parts. The laying scheme was completed by integral laying of pipeline and flanging laying of part. In the course of the test， the pneumatic core mould was placed in the inner chamber of the pavement after the completion of the pavement， and then connected with the air source device for aeration. After repeated aeration tests， the optimum air pressure was determined as 2.5 MPa. After adjusting the pressure of the device after closing， the product was cured in oven， and the product was cured by heating slowly up to 125 ℃ for 2 h. The surface of S-type environmental control elbow is smooth， the flange edge is neat， the thickness meets the requirements of the drawings， and the overall dimension tolerance meets the requirements. The sealing property of S-type environmental control elbow was tested by water storage method. The results showed that there was no leakage or seepage.

Key words： S-type environmental control pipeline; Carbon fiber; Composite material; Inflatable core mould; Manufacturing

近年來， 復合材料在航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應用優(yōu)勢日漸明顯。環(huán)境控制系統(tǒng)（Environme -ntal Control System，ECS）作為飛機不可或缺的一部分， 除了給飛行人員和乘客提供舒適安全的環(huán)境外，更重要的是能夠為飛機上的儀器和儀表提供優(yōu)越的環(huán)境， 保證儀器儀表精確有效的工作[1-3]。在直升機環(huán)控彎管[2]中使用先進復合材料使結(jié)構(gòu)部件變得更輕、更耐用，特別是大型整體結(jié)構(gòu)部件，減少了大量的零部件連接和裝配工作，降低了過程成本。本文圍繞典型直升機環(huán)控彎管為研究對象，按照GJB2895-1997 《碳纖維復合材料層合板和層合件通用規(guī)范》完成碳纖維復合材料制造過程所有工藝及檢測試驗。S型環(huán)控彎管零件的結(jié)構(gòu)特點是方形彎管， 薄壁而且?guī)в蟹?，如圖1所示S型環(huán)控彎管零件圖。這種S型環(huán)控彎管零件如果采用陽模成型，則是模具脫模困難，無法脫模;如果采用陰模成型，則手工鋪層無法進行。氣袋成型法和膨脹成型法都可以用于生產(chǎn)空腹、薄壁高性能復合材料制品。傳統(tǒng)的氣袋成型工藝是將氣袋與已鋪好的預浸料一同放入模具內(nèi)，利用熱空氣氣壓將預浸料貼緊模具再固化成型得到成品，這種成型方法在成型時氣袋對內(nèi)壁的壓力會不均衡，氣袋容易破裂導致產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷[4-6]。本試驗采用的是改進的氣袋成型結(jié)合膨脹成型工藝，制造過程中選用具有阻燃特性的碳纖維預浸料，采用充氣芯模和一對鋼制陰模成型，完成復雜結(jié)構(gòu)環(huán)控彎管的工藝研究過程，獲得符合技術(shù)要求的試驗件。

1 ?實驗部分

1.1 ?原材料

本試驗采用阻燃型的碳纖維預浸料布為成型碳纖維復合材料的主體材料，用于S型環(huán)控彎管零件的制造工藝，規(guī)格為200 g/m2阻燃樹脂，要求125 ℃中溫固化，含膠量為45%。

試驗中還采用無孔隔離膜、透氣氈、真空袋等一系列的真空封裝材料作為成型S型環(huán)控彎管零件的輔助材料。

1.2 ?工裝準備與設(shè)備

1.2.1 ?S型環(huán)控彎管成型模具

膨脹成型法是用于生產(chǎn)空腹、薄壁高性能復合材料制品的一種工藝。其工作原理是采用不同膨脹系數(shù)的模具材料，利用其體積膨脹不同產(chǎn)生的擠壓力，對制品施工壓力。膨脹工藝中，根據(jù)制件的結(jié)構(gòu)特點，必須設(shè)計陰模和芯模兩套模具。成型S型環(huán)控彎管零件的模具采用了一種獨創(chuàng)的成型增強復合材料產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)。

（1）本試驗陽模采用廈門新旺新材料科技有限公司的充氣袋作為芯模，為了確保S型環(huán)控彎管內(nèi)殼壁厚和重量符合圖紙要求，S型環(huán)控彎管內(nèi)殼不會產(chǎn)生氣泡、富膠、貧膠、分層、空隙、扁塌和皺褶等缺陷，成形后內(nèi)殼能夠順利地成型和脫模，芯模的尺寸必須合適。充氣芯模外形為復合材料制件的內(nèi)腔體形狀，尺寸比制件設(shè)計的值減少一定的量。

（2）陰模采用一對金屬材料對模，金屬對模如圖2所示。該模具用于回風口零件的干法鋪貼-真空袋成型， 成形后的回風口制品應符合回風口圖紙的公差要求，未注公差按照Q/JG20.1-1996加工。模具內(nèi)腔尺寸為碳纖維復合材料制件S型環(huán)控彎管的設(shè)計外形尺寸。S型環(huán)控彎管零件采用陰模的模具結(jié)構(gòu)為框架式模具，分為上、下模兩部分，上、下模組合符合加工精度。合模后需要用C形夾進行固定處理。

1.2.2 ?氣源處理二聯(lián)件

本試驗采用正泰BFC系列，管接口直徑PT1/4，可調(diào)范圍0.05～0.9 MPa，耐壓力1.5 MPa。本試驗中配套氣源處理二聯(lián)件的還有充氣嘴、氣槍、氣管接頭、氣泵空壓機接頭等。

1.2.3 ?加熱成型設(shè)備：烘箱

本試驗采用烘箱設(shè)備吳江東禾烘箱設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的，技術(shù)指標如下：有效寬度：3 000 mm;有效長度：3 000 mm;有效高度：2 500 mm;溫度波動：0.5±℃;溫度均勻性：±5 ℃;最高溫度：250 ℃;升溫速率：RT+10～250 ℃≤30 min;安裝電源：380/50 Hz。烘箱主要配件和備件：溫度控制和顯示裝置;溫度報警和控制裝置;居中放置的箱內(nèi)工裝車，承載不小于1 000 kg。

2 ?制造工藝試驗過程

本試驗采用的是改進的氣袋成型結(jié)合膨脹成型工藝，在S型環(huán)控彎管碳纖維復合材料制造中，先在鋼質(zhì)陰模內(nèi)按設(shè)計鋪放預浸料，然后在腔體內(nèi)放置充氣芯模，模具組裝后進行加熱固化。

2.1 ?主要技術(shù)要求

（1）制造工藝方法要求：產(chǎn)品采用充氣芯模+陰模成型;工藝過程采用一次鋪貼固化;加工過程應滿足圖紙技術(shù)要求。

（2）表面質(zhì)量要求：S型環(huán)控彎管表面應光順、清潔、無固化不良、浸漬不良、毛刺、裂紋等缺陷;S型環(huán)控彎管法蘭邊緣整齊、無分層;厚度符合圖紙要求，無目視可見氣泡夾雜。

（3）密封要求：S型環(huán)控彎管完成后，管道壁不允許有漏氣現(xiàn)象，將S型環(huán)控彎管豎直放置，法蘭面采用密封膠粘接平板上，要求灌滿水，水位離口部20 mm距離靜置30 min后，檢查是否有漏水、滲水現(xiàn)象。

（4）尺寸公差要求：S型環(huán)控彎管應符合圖紙所有公差要求，未注公差按照Q/JG20.1-1996加工。

（5）重量檢測要求：按圖紙要求對產(chǎn)品進行稱重檢測。

（6）質(zhì)量控制要求：必須嚴格按照GJB 9001C-2017質(zhì)量管理體系的要求，對生產(chǎn)加工過程進行質(zhì)量控制，并保留相關(guān)的質(zhì)量記錄以備查。

2.2 ?確定鋪層方案

根據(jù)S型環(huán)控彎管零件的尺寸和重量要求，零件鋪層方案包括兩部分：S型環(huán)控彎管管道鋪層和翻邊部分鋪層。鋪層方案如下：

（1）S型環(huán)控彎管管道鋪層采用上模、下模分別鋪層如圖3-4所示，鋪層厚度是兩層，在鋪層時注意上下模對接部分的處理，盡量把搭接部分避開彎管的接縫處。

（2）翻邊部分是在合模后進行翻邊鋪層。層數(shù)是7層，注意搭接和對接。

2.3 ?固化過程

鋪層后未固化的制品進行合模，放置充氣芯模于鋪層內(nèi)腔，連接氣源裝置進行充氣，如圖5所示。

采用復合材料工裝模具限定S型環(huán)控彎管外壁造型和尺寸， S型環(huán)控彎管內(nèi)壁采用充氣芯模對鋪覆了規(guī)定層數(shù)預浸料的S型環(huán)控彎管從內(nèi)向外施壓。充氣芯模可以利用氣源處理二聯(lián)件可以控制氣壓的大小，本試驗經(jīng)過反復調(diào)整，最優(yōu)化的氣壓大小為2.5 MPa。

本試驗固化工藝是將合模后的裝置加壓調(diào)整后置于烘箱中緩慢升溫至125 ℃保溫2 h。加熱時由于陽、陰模的膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生巨大的變形差異，使制品在熱壓下固化。

本工藝中壓力隨溫度變化，為了減小模具、復合材料與芯模之間的溫差，在接近前減小升溫速率，并增加恒溫時間，在加熱時嚴格控制溫度。這種膨脹工藝制備的碳纖維樹脂基復合材料力學性能比較結(jié)果與熱壓罐工藝基本相當。烘箱設(shè)備屬大功率高溫設(shè)備，使用時要注意安全，防止火災、觸電及燙傷等事故。

2.4 ?固化后產(chǎn)品后處理

固化后的試驗件進行產(chǎn)品后處理，所得產(chǎn)品如圖6所示。

（1）尺寸修整 ?按設(shè)計尺寸切去超出多余部分。產(chǎn)品固化脫模后，用金剛石砂輪沿畫線切割，切割時加水可以使切口平滑，同時也可以減少污染。

（2）磨邊與去毛刺

用角向磨光機將毛面的制品表面的毛刺打掉，將凸起的膠塊打平，修整切邊、倒角等。

2.5 ?產(chǎn)品性能測試

本試驗經(jīng)過反復試驗，最優(yōu)化工藝方案所得試驗件性能測試如下。

（1）S型環(huán)控彎管外觀表面光順、清潔、無固化不良、浸漬不良、毛刺、裂紋等缺陷;法蘭邊緣整齊、無分層;厚度符合圖紙要求，無目視可見氣泡夾雜。

（2）按圖紙要求對產(chǎn)品進行稱重檢測，質(zhì)量是180 g ，符合不超過200 g要求。

（3）按圖紙要求對S型環(huán)控彎管進行整體尺寸檢驗，尺寸公差符合要求。

（4） 用存水的方法檢驗S型環(huán)控彎管密封性，將S型環(huán)控彎管豎直放置，法蘭面采用密封膠粘接平板上，將S型環(huán)控彎管灌滿水，水位離口部20 mm距離靜置30 min后，經(jīng)檢查沒有漏水、滲水現(xiàn)象。

3 ?結(jié) 論

（1）S型環(huán)控彎管原材料采用具有阻燃特性的碳纖維預浸料，保證制件耐溫防阻燃性能。

（2）S型環(huán)控彎管制造過程采用充氣芯模+陰模成型的膨脹成型工藝，充氣芯模采用充氣袋，外形為復合材料制件的內(nèi)腔體形狀，尺寸比制件設(shè)計的值減少一定的量。金屬陰模結(jié)構(gòu)為框架式模具，分為上、下模兩部分。

（3）S型環(huán)控彎管零件鋪層方案采用管道整體鋪層和翻邊部分鋪層。管道整體鋪層采用上模、下模分別鋪兩層后合模所得;翻邊部分是在合模后進行鋪層，層數(shù)是7層。

（4）將合模后的裝置利用氣源處理二聯(lián)件加壓調(diào)整后，最優(yōu)化的氣壓大小為2.5 MPa。

（5）在烘箱中緩慢升溫至125 ℃保溫2 h，得到制品，經(jīng)測試制品表面質(zhì)量、尺寸公差、密封性均符合技術(shù)要求。

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