碳纖維復合材料熱壓罐工藝技術詳解
1 基本概念
1.1 工藝原理
將碳纖維預浸料按鋪層要求鋪放于模具上，將毛坯密封在真空袋后放置于碳纖維熱壓罐中。在真空狀態下，經過熱壓罐設備升溫、加壓、保溫、降溫和卸壓等程序，利用熱壓罐內同時提供的均勻溫度和均布壓力實現固化，從而可以形成表面與內部質量高、形狀復雜、面積巨大的碳纖維復合材料制件。
1.2 工藝發展
熱壓罐工藝是針對第二代復合材料的生產而研制開發的工藝，形成于20世紀40年代，一直到60年代才逐步得到推廣使用，后來廣泛應用于航空航天、復合材料、電子、兵器、交通、體育裝備和新型能源等高新技術領域，尤其是在各種蒙皮類零件的生產中發揮出了巨大的作用，現已成為一種成熟的工藝。由熱壓罐工藝生產的復合材料制品占整個復合材料制品產量的50%以上，在航空航天領域的比重更是高達80%以上。目前，熱壓罐工藝作為碳纖維復合材料構件的成型方法之一，也被許多碳纖維復合材料零部件生產廠家大量使用。
1.3 工藝設備
1.3.1 熱壓罐
熱壓罐是一種針對聚合物基復合材料成型工藝特點的工藝設備，使用熱壓罐成型是制造連續纖維增強熱固性復合材料制件的主要方法，適用于先進復合材料結構、蜂窩夾層結構及金屬或復合材料膠接結構的成型中。一般具有溫度和壓力控制精度高、結構安全可靠、系統穩定性好、能耗低、操作和維護簡單等優點，能實現模塊化和系列化，可滿足不同領域、不同工藝和不同規格的需求。
1.3.2 設備組成
作為針對碳纖維復合材料固化的系統設備，碳纖維熱壓罐能實現溫度、壓力、真空、冷卻、循環等工藝參數時序化、實時在線控制。該設備包括以下幾個組成部分：
（1）整體結構：由罐體、罐門機構、高溫電機、風道板隔熱層等形成一個耐高壓、高溫的罐體。
（2）安全聯鎖裝置：由壓力自動聯鎖、手動聯鎖、超高壓報警裝置組成。
（3）快開門裝置：手動電動兩用快開門設計，停電時能正常開啟關閉罐門；
（4）密封裝置：罐門采用硅膠充氣式密封，耐高壓。
（5）壓力系統：由壓縮機、儲氣罐、壓力控制閥、管路、壓力變送器和壓力表等組成壓力傳送與控制系統，罐內壓力可達1.5-2.5MPa，誤差不大于0.05MPa，設有安全防爆裝置。
（6）加熱系統：由不銹鋼電熱管、高溫風機、風道板、隔熱層、溫控系統組成，加熱功率滿足腔體的最高溫度要求及升溫速率的要求。
（7）溫度循環系統：由循環風機、導風板、導流罩組成，加速熱流傳導和循環，形成均勻溫度場。
（8）真空系統：由真空泵、管路、真空表和真空閥組成，給封裝的復合材料預制件提供真空條件，要求有多個真空管接頭滿足成型工藝要求。
（9）自動控制系統：采用PLC控制系統，實現對壓力、溫度、冷卻等工藝參數的全程高精度控制與實時記錄。
1.3.3 熱壓罐工藝的優點
（1）壓力均勻：使用氣體加壓，壓力通過真空袋作用到制品表面，各點法向壓力相等，使制件各處在相同壓力下固化成型。
（2）溫度均勻，可調控：罐內為循環熱氣流給工件加熱，各處溫度溫差小。同時配置冷卻系統，使溫度可嚴格控制在工藝設置范圍內。
（3）適用范圍廣：模具較簡單，效率高。既適合于大面積復雜型面的板、殼，也適合于簡單形狀的板、棒、管、塊，還可用于膠接裝配，小型件可一次多件同時固化。
（4）成型工藝穩定、可靠：壓力、溫度均勻，可調可控，使成型或交接制品質量一致、可靠；孔隙率低、樹脂含量可控并均勻；加壓時可抽真空，使低分子物易于排出。
1.3.4 熱壓罐工藝的缺點
投資大、成本高，熱壓罐接軌復雜、造價高，投資大。每次使用時不僅消耗水、電、氣等能源，還需要真空袋膜、密封膠條、吸膠粘、隔離布等輔助材料，使生產成本較大幅度增加。
2 生產材料
2.1 預浸料
碳纖維熱壓罐工藝使用的原材料是碳纖維預浸料，碳纖維預浸料是由碳纖維紗、環氧樹脂、離型紙等材料，經過涂膜、熱壓、冷卻、覆膜、卷取等工藝加工而成的復合材料，又名碳纖維預浸布。其優點是強度高、密度小，強度可以達到鋼材的6-12倍，密度只有鋼材四分之一，可根據模具不同做成任何形狀，成型容易，便于加工，而且耐腐蝕，壽命長。
2.2 模具材料
碳纖維熱壓罐需要模具具有導熱快、比熱容低、鋼度高、質量輕、熱膨脹系數小、耐熱、熱穩定性好、使用壽命長、制造成本低、使用和維護簡便、便于運輸等特性，特別是良好的導熱性、熱態剛性和氣密性這三方面，同時對模具的設計要求也比較高。以下是在生產實際中，碳纖維復合材料制品廠家采用較多的幾種材質：
（1）鋁：導熱性和加工工藝性好，質量輕，但熱膨脹系數相對較大，因為硬度低，易受損傷，所以在使用上會受到一定限制。
（2）鋼：加工精度、剛強度和硬度都比較高，使用壽命長，適合大多數產品，缺點是質量大，熱容量也高。
（3）鑄鋼或鑄鐵：可代替鋼降低成本，但各點溫差大，表面容易產生砂眼。
2.3 輔助材料
碳纖維熱壓罐工藝所需要的輔助材料品種繁多、用途各異，而且都屬于消耗型，一般只能使用一次，因為用量大，所以成本相對比較高，但是輔助材料的使用對成型質量的控制影響很大。
（1）透氣氈：是毛坯中的氣體向外流動的通道，能保證復合材料成型的質量。
（2）真空薄膜：具有良好的強度、延展性、耐溫性、耐磨性和韌性。使用時，用膩子將成型中的構件密封在模具上，以便形成真空袋.
（3）密封膠帶：在常溫下具有粘性，高溫下密封性好，固化后也容易清理。
（4）吸膠材料：可定量吸出復合材料毛坯中的多余樹脂，并有一定透氣性能，如吸膠氈、玻璃布、吸膠紙等。
（5）脫模材料：指在復合材料毛坯與模具或蓋板之間放置的一層起隔離作用的材料，使毛坯固化后不與之粘附，分為有孔隔離膜、無孔隔離膜、透氣膜、透氣透膠膜等。
（6）壓敏膠帶：可在熱壓罐成型工藝中起定位和固定作用。
（7）檔塊：限制樹脂從構件邊緣流動，有助于控制構件的纖維含量。
（8）可剝布：允許揮發分通過，吸收一定量的多余樹脂，固化后容易去除，提供可以膠接或噴涂的表面。
（9）脫模劑：目的是使構件固化后方便與模具脫開。
（10）溶劑：用于清洗模具表面。
（11）輔助工具：真空嘴、真空管、熱電偶、壓輥等。
3 熱壓罐工藝流程
不同碳纖維制品在使用熱壓罐工藝時，方法與步驟類似，基本上都是按照鋪疊毛坯件、制真空袋、真空檢漏、工件入罐、開升溫程序、加壓、保溫保壓、降溫、降壓停機、工件出罐的順序進行的，主要區別在于模具的不同以及根據制品所需性能而設定的工藝參數。下面就以無錫威盛新材料科技有限公司為國內某小型新能源汽車設計和定制的碳纖維電池箱為例進行詳細說明。
3.1 鋪疊毛坯件
該程序包括預浸料剪裁（下料）、鋪疊、預壓實三個環節。整個結構形式和鋪層設計都應考慮可鋪疊性，以無錫威盛新材料科技有限公司的這款電池箱為例，整個箱體為600mm×400mm×200m、壁厚1.5mm的長方體，因為模具本身采用的是陰模，所以要考慮到預浸料鋪層的整體性和可操作性，需要將預浸料剪裁成長方體的平面展開式，在鋪層之前，還要將模具放置于熱壓罐內進行預加熱，然后在模具內壁刷好脫模劑，將剪裁好的預浸料盡量展開成平面，小心地放入磨具之中，逐步壓實，使預浸料與模具緊密地貼合在一起，各個面必須保持平整、無褶皺，然后沿著模具的外緣，剪去多余的預浸料。對于不規則制品，如不能展開成平面的要制成適當寬度條形，局部可采用開口或拼接的方式。
根據該電池箱體所需承載力，確定預浸料的鋪層為兩層3k加三層單向預浸料的方式進行鋪層，鋪層過程中要及時除去層間夾雜空氣，以便保證層間性能，所以預壓實階段就是要在鋪層操作中去除揮發分、預浸料層間夾雜空氣的同時密實鋪層，其最終目的還是提高構件尺寸精度。然后在室溫或加熱條件下對鋪層進行抽真空，時間5-15分鐘。如果是厚制件的話，一般每鋪疊3層就要進行一次預壓實，這對成型質量有很大影響?？傮w來說，這個環節勞動強度較大，耗時長，成本高。
3.2 熱壓罐固化
鋪層之后要將制品在模具上進行定位組裝，封裝真空袋。在封裝過程中要不斷用壓輥等工具隔著真空袋表面對預浸料做再一次的修整，盡量壓出空氣，使預浸料經歷樹脂流動、樹脂固化、纖維密實等過程后，最終實現固化。
將真空袋封裝好的模具及構件連接真空泵（緩沖器），推送至熱壓罐內，并按照材料工藝特性、構件形狀尺寸、設備情況制定熱壓罐工作的工藝參數。對不妨礙熱壓罐內腔空氣流通的大型構件來說，適宜單件固化，對形狀不復雜的小尺寸件來說，則可以一罐多件。用于復合材料成型工藝的熱壓罐其使用壓力一般小于1.6MPa，國內重要的航空結構用復合材料基體樹脂的固化溫度最高在180±5℃的范圍，普遍使用的上限溫度為250℃。熱壓罐系統在工作過程中，可在各加溫區和制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采集、顯示，并按工藝要求調節升溫和降溫速率，以保證制品的固化質量。
對于重要產品，在固化過程中，罐體內需采用惰性氣體保護，以防止制品在固化過程中逸出的可燃性揮發物引起燃燒或爆炸。當罐內溫度高于150℃或壓力大于1MPa時就應采用惰性氣體加壓。在熱壓罐開始加壓后，真空袋有可能會出現漏氣現象，遇到這種情況，應根據實際情況判斷處理。如果是輕微漏氣，則允許繼續固化，并采用通大氣措施減緩真空袋破裂，嚴重時應停機修補?！?/span>
3.3 脫模
熱壓罐固化過程結束后，要等罐內溫度和壓力逐漸降至安全指數以下再實施停機，打開罐門取出模具及構件。當模具溫度降至50℃以下再將構件從模具上取下，如果溫度過高就進行脫模，很容易引起制品變形或樹脂開裂。
４ 常見問題及對策
固化脫模后可對碳纖維制品通過目測和量具檢測外觀質量，借助超聲波、X-ray、紅外等進行無損檢測，通過顯微觀察和抽樣測試進行破壞性檢測。在使用熱壓罐工藝制作碳纖維復合材料制品時，常出現分層、孔隙、變形這幾類問題。
4.1 分層
熱壓罐工藝制成的碳纖維復合材料構件的主要缺陷之一就是分層。分層是層間應力或制造缺陷引起的層與層之間的分離，即層間的脫膠或開裂，可通過設計和工藝上的改良減小殘余應力，也可以通過提高樹脂韌性減少發生幾率。
4.2 孔隙和疏松
孔隙是指碳纖維復合材料成型過程中形成的空洞，一般用孔隙率來表示，指纖維層間樹脂存在的微觀小孔的含量?？紫堕L大到一定程度就會形成氣孔，是一種呈宏觀狀態出現的缺陷形式，其形成機理與孔隙相同，只是缺陷的大小程度有所不同。有時加壓過晚等原因也會導致復合材料層內纖維與樹脂以及樹脂與樹脂之間產生均勻孔隙的現象。對策一是控制樹脂壓力，要大于揮發分含量和飽和蒸氣壓的乘積，二是要在預浸料層間形成有效的氣路，三是采用零吸膠工藝。
4.3 變形
變形是碳纖維復合材料制品與設計標準不符，外形曲率等參量發生變化的一種缺陷形式。可以通過以下幾種方法進行控制：從角度、比例、順序等方面調整鋪層設計；在固化溫度、降溫速率方面進行工藝優化；改變模具材料的種類或結構形式；通過加強筋、施加應力等方式強迫矯正。
另外，如果兩層復合材料膠接界面之間發生大面積脫開現象或者膠接不良的現象，往往是模具裝配以及人為操作失誤造成的，需加強規范性操作管理。
5 整體化成型技術
整體成型是復合材料的優點和特點之一，是熱壓罐工藝常用技術。采用共固化或共膠接等方式，能大量減少零件、緊固件數目，從而實現復合材料從結構設計到制造一體化成型，在滿足結構總體性能要求的前提下，進一步減輕結構重量、降低成本，特別是制造成本。該技術適用于機翼整體化、整體機身段等大型復合材料結構的制造。
5.1 技術方式
共固化是指兩個或兩個以上的零件經過一次固化成型而制成整體制件的工藝方法。二次膠接是指兩個或多個預固化的復合材料零件通過膠接而連在一起，其間僅有的化學或熱的反應是膠膜的固化。共膠接則是把一個或多個已經固化成型而另一個或多個尚未固化的零件通過膠粘劑（一般為膠膜）在一次固化中固化并膠接成一個整體制件的工藝方法，是共固化與二次膠接的結合。
5.2 技術優勢
該種技術能有效減少零件數目和連接件數目，易于建立大型制品融合體布局，避免鉆孔，減少構件加工損傷，從而增加機體表面光滑完整度。
5.3 技術風險
但是這種技術的缺陷也是很明顯的，一方面，局部缺陷很容易影響到整個部件，一旦造成大件報廢，就會大幅度增加制造風險；另一方面，因為模具變得大而復雜，設計要求高，所以工裝成本上升，各種膠粘劑以及特殊材料需求隨之增多，還需在成型與裝配成本之間進行慎重平衡。
簡言之，熱壓罐工藝作為碳纖維復合材料成型過程中普遍使用的工藝之一，適宜制作夾層結構件和層壓板構件，例如，高鐵等輕軌類車體的車廂板，也可用來制作組合構件和膠接構件，例如汽車類大型零部件。從大尺寸、外形較復雜的航空、航天CFRP構件的制造到輕量化趨勢影響下，汽車、高鐵等領域的深入應用，熱壓罐工藝將繼續發揮重要的作用。
來源：復材產業圈
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協辦單位：
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會議時間：2023年8月3-5日
會議地點：中國•天津
1會 議 日 程Meeting schedule
會議報到2023年8月3日
下午-大會報到，對接交流
下午-閉門會議（僅限受邀）
產業鏈生態構建對接交流會
晚上-自助晚餐
大會當天2023年8月4日
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中午-自助午餐
下午-HP-RTM、Surface-RTM、C-RTM、PCM新工藝 新材料 新技術 新應用相關報告
晚上-歡迎晚宴，對接交流
參觀企業2023年8月5日
上午-天津市天鍛壓力機有限公司
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廊坊市飛澤復合材料科技有限公司
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