【技术干货】一文简要了解碳纤维预浸料技术——真空袋和热压罐工艺对比
摘 要
《一文简要了解碳纤维预浸料》
《一文了解碳纤维增强用热固性树脂基体》
《碳纤维热塑性树脂基复合材料特应用》
《简述碳纤维增强材料常见形式及应用》
1、真空袋工艺与热压罐工艺对比
1.1、真空袋（真空袋/固化炉）工艺
真空袋成型工艺通过将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品加压，进而使产品密实的成型工艺方法。真空袋工艺适用于各种厚度的单板结构和大型夹层结构的制造。
真空袋工艺的主要步骤包括铺贴预浸料后打带、密封，然后抽真空将空气抽走（示意图如图1所示）。抽真空时，产生压力达到1个大气压，从而起到对铺层进行压实的作用，然后将其送入固化炉内进行固化，或者采用自加热模具固化。
图1 真空袋工艺的主要步骤
1.2 热压罐工艺
该工艺是将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料，然后放在热压罐内，在一定温度和压力下完成固化过程的工艺方法。热压罐也需要类似的真空袋（图2），但是用热压罐取代了固化炉进行固化。
图2 真空袋打带示例
热压罐是一种压力容器，通过控制不同真空、压力、升温速率和固化温度等参数为复合材料提供固化条件；热压罐工艺通常用于制造高碳纤维体积含量、低孔隙率的优质结构件，也可以在压力较低的情况下生产高标准的蜂窝夹层结构。
因为热压罐体积大，往往需要很长时间进行加热和固化，因此周期较长，有时需要缓慢升温才能保证模具和复合材料部件温度的均匀分布。
1.3 真空袋打袋耗材及作用
如上所述，真空袋和热压罐都存在真空袋打袋过程（图2），这种工艺是生产高质量的航空航天部件的理想方式，但是在工业应用方面，也可采用其他铺贴方式。
真空袋打袋过程中的主要耗材和作用如下所示：
脱模剂：帮助部件从工装中脱模；
剥离布（可选）：有助于析出挥发物和多余树脂，固化后可轻易剥离，其表面有利于胶接或喷涂；
吸胶层（可选）：通常采用毡或玻璃纤维织物，吸收多余树脂，树脂含量可以通过吸胶层的数量来调节，以控制纤维的体积含量；
隔离膜：可防止树脂流失，并根据需要使用无孔或微孔薄膜，空气和挥发成分也可通过微孔排出；
透气层：提供真空通道，以便从整个部件中去除空气和挥发成分，当使用热压罐压力时，需要更厚的透气织物；
密封条：控制树脂流失，维持部件形状；
真空泵/密封胶带：排出空气，形成真空的密封袋。
2、真空袋工艺与热压罐工艺实施流程
2.1、真空袋和热压罐工艺流程
真空袋成型工艺通过将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品加压，进而使产品密实的成型工艺方法。真空袋工艺和热压罐工艺主要流程如下图所示。
2.3、真空袋和热压罐工艺主要控制点
压实：在铺贴过程中，预浸料铺层之间会存在空气，可以采用隔离膜/透气层/真空袋打袋，在室温下抽真空10-15min，以排除空气、压实预浸料，与工装表面接触的第一层压实后，依据部件的厚度和复杂程度，可以每3-5层压实一次。
真空：通常真空用来排除预浸料层间的空气，同时压实预浸料，在热压罐的固化过程中，可以在加压后降低真空度，这样在整个固化过程中，能够有效地检测真空袋是否泄漏。
升温速率：升温速率对预浸料的粘度、流动性、反应速率以及部件的表面质量都有很大影响，大部分预浸料固化所需的升温速率是一个温度范围，一般而言，较快的升温速率适用于较薄的部件，而较慢的升温速率适用于较厚或者较大的部件；决定升温速率时，应避免部件、工装和热源间产生较大的温差。
保温平台：对于大型部件和工装，也可在固化过程中引入保温平台，它能确保整个工装和部件的温度均匀，良好的温度控制能保证固化过程中树脂流动的一致性，并改善树脂的流动特性。
固化温度公差：在整个固化过程中，固化炉/热压罐、部件和工装的温度应达到并保持在最低固化温度以上，用于检测温度的热电偶应仔细考虑放置的位置，以确保得到整个系统的准确温度，并将温度的公差范围控制在±5℃；对于大型部件，可能需要一个循环测温系统来监控部件和工装的温度场。
固化时间：每种预浸料都有相应的固化时间，其从热电偶达到最低固化温度的时间开始计算，延长在推荐固化温度下的固化时间通常不会对部件产生不利影响。
冷却速率：应该控制冷却温度速率以避免温度的骤然变化而在部件中产生较高的热应力，在整个冷却过程中压力和/或真空仍然应该保持。
成品质量检验：固化后，超声波、错位散斑干涉法、热成像等多种检测手段可以用于复合材料部件的质量检验。
2.4、真空袋和热压罐工艺选择
总体而言，真空袋/固化炉工艺生产部件质量要低于热压罐，但是设备成本始终，固化时间短；虽然热压罐成本高、固化周期长，但是部件性能优异，目前民用航空大型结构件均是采用热压罐工艺加工。两者工艺对比如下表所示。
参考文献：Hexcel预浸料技术