膨脹成型

纖維增強塑料是工程塑料應用的一種重要形式，其中連續纖維增強樹脂基複合材料是最具有工程應用價值的結構材料之一。碳纖維複合材料是現代先進複合材料的代表，因其高比強度、高比剛性的特點而在航天、航空、電子等領域廣泛應用。現代先進複合材料結構設計基本特點是尺寸大、形狀複雜、強調整體性，對製造技術提出了更高的要求，一般的工藝方法難以適應。

碳纖維複合材料結構件形式多樣，成型工藝也各不相同。一般複合材料成型工藝中，複合材料固化壓力來源於外壓力源，如負壓、壓力袋、熱壓罐、模壓等。熱膨脹工藝與之有本質的區別，熱膨脹工藝又稱熱脹法。以線脹係數較大的材料為芯模，剛體材料為陰模，複合材料置於芯模與陰模之間。當模具受熱后，芯模材料會受熱膨脹，但由於芯模材料的線脹係數比陰模材料大幾十倍，因此芯模的體積膨脹受到陰模的限制，則在模腔內產生壓力，這種壓力稱為熱脹壓力，以此實現對複合材料固化過程的加壓。這種方法是靠芯模熱膨脹產生的壓力，無需外壓源，適合於複雜結構製品的整體共固化。在某些多腔體結構中，克服了外壓難以傳遞均勻的缺點，具有不可替代的優點。

膨脹工藝中，根據製件的結構特點，必須設計陰模和芯模兩套模具。陰模為鋼質, 模具內腔尺寸為碳纖維複合材料製件的設計外形尺寸。芯模外形為複合材料製件的內腔體形狀，尺寸比製件設計的值一定的量，所減少的尺寸稱為工藝間隙。工藝間隙在整個工藝中的關鍵作用是控制加壓點和壓力的大小。在複合材料製造中，先在鋼質陰模內按設計鋪放預浸料，然後在腔體內放置膨脹芯模，模具組裝後進行加熱固化。

膨脹工藝過程：

①自由膨脹段，硅橡膠芯模膨脹填充工藝間隙；

②初始加壓段，硅橡膠芯模膨脹擠壓複合材料疊層達到設計尺寸；

③恆壓段，恆溫固化，硅橡膠芯模保持膨脹體積，壓力恆定；

④降溫降壓段，隨溫度下降，硅橡膠芯模快速收縮，壓力迅速減小。

1.熱膨脹硅橡膠的性能

一般來說，線脹係數較大的材料都可以用來膨脹加壓。芯模材料的線脹係數與陰模應有較大的差異，因而陰模一般用剛性較好的材料。

R10301硅橡膠是由成都有機硅研究中心生產的價格便宜的一種雙組分室溫硫化硅橡膠，A組分為紅色，B組分為無色，膠料粘度低，流動性好，澆注性能好。在硫化過程中不產生低分子揮發物，無腐蝕作用。硫化橡膠尺寸穩定性好，使用最高溫度為200℃，在容器內加熱、加壓永久變形小。

熱脹壓力由熱脹材料的兩種性質來決定，一是體脹係數，二是拉伸彈性模量。體脹係數決定了溫度升高引起的芯模的體積變化量，它是確定成型壓力增量的基礎拉伸彈性模量決定了在自由膨脹受到限制時壓力增加的程度。

2.硅橡膠芯模的設計和製造

硅橡膠芯模的計算和設計是熱脹法的關鍵。複合材料中樹脂凝膠溫度的壓力，對於產品的外形尺寸、樹脂含量、空隙率和力學性能都有很大影響。為了準確地把握產生膨脹壓力的起始溫度，在芯模與複合材料內腔間設計了一定的工藝間隙，以此來調節加壓點及壓力大小。芯模經過自由膨脹后才產生壓力。設計中確定工藝間隙是設計和計算的核心。

受模具內腔體積、硅橡膠體積、固化后複合材料體積及壓力和溫度等因素的影響，溫度分佈又受到傳熱速度和溫差等其它因素的影響。因此，工藝間隙最終經過試驗修正才能達到要求。

按此修正尺寸設計了硅橡膠澆注模，為提高效率，設計為一模多腔。硅橡膠芯模的製造是控制製件質量的重要環節，其製造工藝直接影響著成型製件的性能。嚴格工藝程序，製造了件硅橡膠芯模，其一致性較好，裝配間隙均勻。經高溫、高壓使用后，壓縮變形很小，重複使用了幾次后性能無明顯下降。

3.固化工藝

在一般的外壓力源固化工藝中，加壓時機可以準確控制。本工藝中壓力隨溫度變化，在設計確定后，可控制參數為升溫速率、恆溫溫度及恆溫時間。因此，制定適宜的溫度控制程序是關鍵。

在固化過程中，特別是在加壓段，當溫度變化很小時，壓力增量卻很大。為了減小模具、複合材料與硅橡膠之間的溫差，在接近前減小升溫速率，並增加恆溫時間，在加熱時嚴格控制溫度。熱膨脹工藝製備的碳纖維樹脂基複合材料力學性能比較結果與熱壓罐工藝基本相當。