热模压预成型工艺参数对复合材料帽型长桁质量的影响

摘要：热模压预成型工艺参数与复合材料帽型长桁质量密切相关。研究不同工艺参数如温度、压力、时间对长桁质量的影响，包括尺寸精度、力学性能和内部缺陷等方面。明确各参数的作用机制及相互关系，为优化工艺、提高长桁质量提供理论依据，助力复合材料在相关领域的广泛应用。

关键词：热模压预成型;工艺参数;复合材料;帽型长桁质量

引言：随着复合材料在航空航天等领域的应用增多，帽型长桁作为重要结构件，其质量至关重要。热模压预成型工艺是制造长桁的关键方法，工艺参数直接影响长桁质量。深入研究工艺参数对长桁质量的影响，对提升制造水平、推动行业发展具有重要意义。

1.热模压预成型工艺参数概述

热模压预成型工艺是复合材料帽型长桁制造过程中的关键环节，其涉及到多个重要的工艺参数。温度是其中一个核心参数，不同的温度设定会影响复合材料中树脂的流动性和固化反应速度。在热模压过程中，合适的温度能够确保树脂均匀地浸润纤维，使纤维与树脂之间形成良好的结合。如果温度过低，树脂的流动性差，难以充分填充纤维之间的空隙，从而影响复合材料的整体性能；而温度过高，可能导致树脂过早固化，同样无法实现理想的浸润效果，并且还可能引发树脂的分解等问题。常用的预成型方法有热模压预成型、热隔膜预成型、辊压预成型等。在热模压过程中，施加的压力大小决定了复合材料的压实程度。适当的压力有助于排除复合材料中的空气，使纤维排列更加紧密，从而提高复合材料的密度和力学性能。压力过小，复合材料内部容易残留较多空气，形成孔隙等缺陷；压力过大，则可能导致纤维的损伤，破坏纤维的原有结构，进而影响复合材料的强度等性能。

2.工艺参数对长桁质量的影响表现

2.1尺寸精度影响

热模压预成型工艺参数对复合材料帽型长桁的尺寸精度有着直接的影响。温度的变化会引起复合材料的热膨胀和收缩。在不合适的温度下，由于热胀冷缩效应，长桁在成型后的尺寸可能会偏离设计要求。当温度过高时，在脱模后的冷却过程中，长桁可能会过度收缩，导致其长度、宽度或者厚度等尺寸变小；而温度过低时，可能会造成长桁在模具内的膨胀不足，使得成型后的尺寸比设计值偏小。压力对尺寸精度的影响主要体现在压实效果上。如果压力不均匀，长桁不同部位的压实程度就会存在差异，从而导致尺寸精度下降。例如，在压力较小的区域，复合材料的密度相对较低，厚度可能会偏大；而在压力较大的区域，可能会过度压实，使厚度变小或者出现局部变形的情况。

2.2力学性能影响

热模压预成型工艺参数对复合材料帽型长桁的力学性能影响显著。合适的温度能够促进树脂对纤维的良好浸润，使得树脂与纤维之间形成牢固的化学键合。当温度不适宜时，例如温度过低，树脂与纤维的浸润性差，两者之间的界面结合力较弱，在受到外力作用时，容易在界面处发生脱粘现象，从而降低长桁的拉伸强度、弯曲强度等力学性能。压力的大小对长桁力学性能的影响主要体现在纤维的排列和复合材料的密实程度上。适当的压力能够使纤维排列整齐有序，提高纤维的承载能力，并且使复合材料更加密实，减少内部孔隙等缺陷。当压力不足时，纤维排列松散，孔隙率增加，在承受外力时，孔隙周围容易产生应力集中，降低长桁的力学性能；而压力过大导致纤维损伤时，长桁的整体强度也会受到严重影响，例如其断裂韧性会显著降低。

2.3内部缺陷影响

热模压预成型工艺参数与复合材料帽型长桁的内部缺陷有着密切的关联。温度不合理可能导致多种内部缺陷的产生。例如，温度过高时，树脂可能会发生分解或者产生过多的挥发性物质，这些挥发性物质在复合材料内部无法及时排出，就会形成气孔等缺陷。温度过低时，树脂的流动性差，可能会造成局部树脂填充不足，从而形成内部的空隙。压力对内部缺陷的影响主要体现在孔隙的形成方面。压力不足时，复合材料内部的空气无法有效排出，容易形成孔隙。这些孔隙会降低长桁的密度，并且在承受外力时，孔隙周围的应力集中现象会削弱长桁的力学性能。同时，孔隙还可能成为水分、腐蚀介质等侵入的通道，进一步影响长桁的使用寿命。

3.优化工艺参数提高长桁质量策略

3.1温度优化策略

为了提高复合材料帽型长桁的质量，优化温度参数是至关重要的。首先，需要根据所使用的复合材料体系确定一个合适的温度范围。不同的树脂和纤维组合可能对温度有着不同的要求。通过实验和理论分析相结合的方法，可以精确地确定适合特定复合材料的温度值。在热模压过程中，还需要考虑温度的均匀性。可以采用先进的加热设备，如均匀加热的热板或者加热模具，确保长桁在成型过程中各个部位所受到的温度一致。此外，对于大型的帽型长桁，由于其尺寸较大，温度在传递过程中可能会出现梯度变化，因此需要合理设计加热方式和加热时间，以避免因温度不均匀而产生的质量问题。

3.2压力优化策略

压力优化是提高复合材料帽型长桁质量的重要手段。确定合适的压力值是关键的第一步。这需要考虑复合材料的种类、纤维含量以及长桁的结构形状等因素。对于纤维含量较高的复合材料，可能需要相对较高的压力来确保纤维的紧密排列和树脂的充分渗透。一般来说，可以通过对不同压力下成型的长桁进行力学性能测试和微观结构分析，来确定最佳的压力值。在压力施加过程中，要确保压力的均匀性。不均匀的压力会导致长桁质量的不均匀。可以采用高精度的压力控制系统，对压力进行精确的控制和调节，对于复杂形状的帽型长桁，可以根据其结构特点设计特殊的压力施加方式。

3.3时间优化策略

时间优化对于复合材料帽型长桁的质量提升有着重要意义。准确确定成型时间是优化的核心。这需要综合考虑树脂的固化特性、长桁的尺寸和结构复杂性等因素。例如，对于大型、厚壁的帽型长桁，由于树脂的热量传递和固化过程相对较慢，可能需要较长的成型时间。可以通过差示扫描量热法（DSC）等测试手段，分析树脂的固化反应动力学，从而精确地确定所需的成型时间。在实际生产过程中，还需要考虑生产效率和质量的平衡。过长的成型时间虽然可能会提高长桁的质量，但会降低生产效率，增加生产成本。因此，可以采用一些先进的固化技术，如快速固化树脂体系或者采用辅助加热、冷却等手段，在保证长桁质量的前提下，尽可能缩短成型时间。例如，通过在模具内部设置加热和冷却管道，能够实现对长桁温度的快速调节，从而加快树脂的固化速度，减少成型时间。

结束语：综上所述，热模压预成型工艺参数对复合材料帽型长桁质量影响显著。通过明确各参数的作用及影响规律，采取有效优化策略，可提高长桁质量。未来需进一步深入研究，完善工艺，推动复合材料帽型长桁制造技术的持续发展。

参考文献

[1]李哲夫.航空复合材料热模压预成型缺陷形成机理与仿真预测研究[D].东华大学，2023.DOI：10.27012/d.cnki.gdhuu.2023.000017.

[2]刘明瑞.面向太空制造的复合材料管热冲压-拉拔成型工艺基础研究[D].上海交通大学，2021.DOI：10.27307/d.cnki.gsjtu.2021.000086.

[3]李哲夫，谈源，张俭，等.热模压预成型工艺参数对复合材料帽型长桁质量的影响[J].复合材料学报，2021，38（10）：3270-3280.DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.004.