2.2 熱隔膜

復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)外形狹長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難應(yīng)用自動(dòng)鋪放技術(shù)，為了使這些大尺寸梁構(gòu)件的生產(chǎn)也能享受自動(dòng)化帶來的好處，航空工業(yè)界的工程師把鋪疊過程分成兩個(gè)階段：首先通過自動(dòng)鋪帶機(jī)鋪疊出正確形狀及鋪層的平板疊層，平板的厚度一般在1～5mm之間。然后將平板疊層轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型機(jī)上，使其整體貼合模具，然后再封裝固化。

圖2-4為熱隔膜成型原理圖。在熱隔膜成型過程中，平板疊層被置于兩個(gè)可以自由變形的隔膜之間，隔膜被夾持在模具的邊緣，首先把雙隔膜之間抽成真空以便提供一個(gè)夾持平板疊層的壓力，并將平板疊層和隔膜組裝在真空箱上，然后在平板疊層上面進(jìn)行紅外加熱，到達(dá)工藝溫度時(shí)開始對真空箱抽真空，兩隔膜之間的平板疊層受大氣壓力會(huì)緩慢貼合到模具表面。該成型工藝的工序類似于片狀熱塑性塑料的熱成型過程，只是熱隔膜成型的坯件是由平板疊層預(yù)浸料和隔膜共同組成的，隔膜通常是高溫可變形材料，如聚酰亞胺薄膜或橡膠薄膜。在成型過程中，被夾持在真空箱邊緣的隔膜處于拉伸狀態(tài)，因此薄膜和平板疊層之間存在相互摩擦作用，這有助于使平板疊層保持張力，從而防止纖維在成型過程中發(fā)生屈曲和褶皺。當(dāng)成型過程結(jié)束之后，制件在大氣壓力下冷卻到預(yù)浸料軟化溫度以下，最后卸壓并從模具上剝?nèi)ジ裟と〕鲋萍?/p>

圖2-4　熱隔膜成型原理圖

熱隔膜成型技術(shù)（Hot-diaphragm Forming）已經(jīng)用于A400M的機(jī)翼梁生產(chǎn)。A400M的每個(gè)機(jī)翼的翼梁分成兩段制造，前翼梁分成12m和7m兩段，后翼梁分成14m和5m兩段，構(gòu)件的尺寸比較大，如果仍然采用手工鋪疊，效率太低，鋪疊率一般只有0.75kg/h，因此在生產(chǎn)中將應(yīng)用鋪帶機(jī)進(jìn)行鋪疊，隨后用熱隔膜成型出“C”形截面梁，鋪疊率能達(dá)到25kg/h。為成型出“C”形截面梁，平板疊層被送到由英國Aeroform公司提供的熱隔膜成型機(jī)上成型。為了便于抽真空，平板疊層夾在兩個(gè)由杜邦公司提供的卡普頓（Kapton）聚酰亞胺薄膜制成的隔膜之間，隔膜之間密封且抽真空，然后在平板疊層上面進(jìn)行紅外加熱，直到將溫度升到60℃，這樣可以保證平板疊層均勻加熱到同一溫度，然后緩慢對兩隔膜間平板疊層加壓，并使其與模具貼合形成機(jī)翼梁的內(nèi)表面。在30min內(nèi)“C”形截面梁成型完成后，便可去除卡普頓薄膜，將“C”形截面梁轉(zhuǎn)移到殷鋼制成的陽膜上，最后封裝進(jìn)熱壓罐固化（圖2-5）。

圖2-5　熱隔膜成型“C”形截面梁

傳統(tǒng)手工鋪覆異型件，當(dāng)鋪層厚度大于0.25m時(shí)，需要2～3天。而采用熱隔膜機(jī)，可縮短梁類零件加工周期20%，降低成本30%。而且當(dāng)鋪層厚度大于0.25m時(shí)，采用熱隔膜預(yù)成型機(jī)還可有效地減少打褶和纖維屈曲。采用預(yù)成型的另一個(gè)意義在于，通過將固化分為兩步，可以有效地保證精度及合適地控制翹曲。

熱隔膜成型已成功地應(yīng)用于波音777長桁和V22長桁的生產(chǎn)，A400M的機(jī)翼前梁也用了此工藝方法生產(chǎn)。

A400M機(jī)翼前梁是在英國GKN公司生產(chǎn)的，被稱為第一個(gè)用熱隔膜成型的最大、最關(guān)鍵部件。GKN公司為此投入了140萬英鎊向西班牙訂購了一臺(tái)11軸、20m長的高速鋪帶機(jī)，使工時(shí)比原來手工鋪層提高50倍，成本降低30%，不僅提高了質(zhì)量、緊密度，還減少了無損檢測時(shí)間。首先在該機(jī)上將CYTEC公司提供的預(yù)浸料鋪成平的層壓件，然后將該層壓件移至Aeroform公司提供的熱隔膜成型機(jī)上，置于兩層由Dupot Electronic Technologies公司提供的Kapton Polyimide Film（一種聚酰亞胺薄膜）隔膜之間，隔膜中間抽真空，從上面開始緩慢加溫（紅外線加溫）1h，直到溫度全部達(dá)到60℃，然后再抽真空，將隔膜壓緊夾住層壓件，均勻壓到模具上，約20min結(jié)束，保證“C”形梁的內(nèi)型正確。最后取下預(yù)成型件，撕去隔膜（隔膜報(bào)廢），將預(yù)成型件轉(zhuǎn)移到固化工裝上，裝夾好，送入熱壓罐固化。

Accudyue公司生產(chǎn)專門的桁條鋪帶機(jī)，可成型30cm寬、11m長的層壓件，鋪層速度為100ft/min（30.48m/min），邊緣平齊度為0.018in（0.457mm），切割精度為0.030in（0.762mm），有塔式裝卸裝置，可自動(dòng)更換材料。

波音777和V22的長桁鋪層后用熱隔膜成型，克服了用老辦法成型時(shí)的表面皺褶及其他缺陷。其中V22用的是正向成型法，而波音777采用的是反向成型法，即將材料置于模具下部，隔膜又置于材料下部，抽真空后通過隔膜向上將材料包向模具，補(bǔ)加工或需添補(bǔ)之處在進(jìn)入熱壓罐前在夾具上解決。