1.基本概念
1.1工藝原理
將碳纖維預(yù)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(tài)下，經(jīng)過熱壓罐設(shè)備升溫、加壓、保溫、降溫和卸壓等程序，利用熱壓罐內(nèi)同時提供的均勻溫度和均布壓力實現(xiàn)固化，從而可以形成表面與內(nèi)部質(zhì)量高、形狀復(fù)雜、面積巨大的碳纖維復(fù)合材料制件。
1.2工藝發(fā)展
熱壓罐工藝是針對第二代復(fù)合材料的生產(chǎn)而研制開發(fā)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(yīng)用于航空航天、復(fù)合材料、電子、兵器、交通、體育裝備和新型能源等高新技術(shù)領(lǐng)域，尤其是在各種蒙皮類零件的生產(chǎn)中發(fā)揮出了巨大的作用，現(xiàn)已成為一種成熟的工藝。由熱壓罐工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料制品占整個復(fù)合材料制品產(chǎn)量的50%以上，在航空航天領(lǐng)域的比重更是高達80%以上。目前，熱壓罐工藝作為碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的成型方法之一，也被許多碳纖維復(fù)合材料零部件生產(chǎn)廠家大量使用。
1.3工藝設(shè)備
1.3.1熱壓罐
熱壓罐是一種針對聚合物基復(fù)合材料成型工藝特點的工藝設(shè)備，使用熱壓罐成型是制造連續(xù)纖維增強熱固性復(fù)合材料制件的主要方法，適用于先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及金屬或復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的成型中。一般具有溫度和壓力控制精度高、結(jié)構(gòu)安全可靠、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、能耗低、操作和維護簡單等優(yōu)點，能實現(xiàn)模塊化和系列化，可滿足不同領(lǐng)域、不同工藝和不同規(guī)格的需求。
1.3.2設(shè)備組成
作為針對碳纖維復(fù)合材料固化的系統(tǒng)設(shè)備，碳纖維熱壓罐能實現(xiàn)溫度、壓力、真空、冷卻、循環(huán)等工藝參數(shù)時序化、實時在線控制。該設(shè)備包括以下幾個組成部分：
（1）整體結(jié)構(gòu)：由罐體、罐門機構(gòu)、高溫電機、風(fēng)道板隔熱層等形成一個耐高壓、高溫的罐體。
（2）安全聯(lián)鎖裝置：由壓力自動聯(lián)鎖、手動聯(lián)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(shè)計，停電時能正常開啟關(guān)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(tǒng)：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(tǒng)，罐內(nèi)壓力可達1.5-2.5MPa，誤差不大于0.05MPa，設(shè)有安全防爆裝置。
（6）加熱系統(tǒng)：由不銹鋼電熱管、高溫風(fēng)機、風(fēng)道板、隔熱層、溫控系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)：由循環(huán)風(fēng)機、導(dǎo)風(fēng)板、導(dǎo)流罩組成，加速熱流傳導(dǎo)和循環(huán)，形成均勻溫度場。
（8）真空系統(tǒng)：由真空泵、管路、真空表和真空閥組成，給封裝的復(fù)合材料預(yù)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(tǒng)：采用PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對壓力、溫度、冷卻等工藝參數(shù)的全程高精度控制與實時記錄。
1.3.3熱壓罐工藝的優(yōu)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(diào)控：罐內(nèi)為循環(huán)熱氣流給工件加熱，各處溫度溫差小。同時配置冷卻系統(tǒng)，使溫度可嚴格控制在工藝設(shè)置范圍內(nèi)。
（3）適用范圍廣：模具較簡單，效率高。既適合于大面積復(fù)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(wěn)定、可靠：壓力、溫度均勻，可調(diào)可控，使成型或交接制品質(zhì)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(fù)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(chǎn)成本較大幅度增加。
2.生產(chǎn)材料
2.1預(yù)浸料
碳纖維熱壓罐工藝使用的原材料是碳纖維預(yù)浸料，碳纖維預(yù)浸料是由碳纖維紗、環(huán)氧樹脂、離型紙等材料，經(jīng)過涂膜、熱壓、冷卻、覆膜、卷取等工藝加工而成的復(fù)合材料，又名碳纖維預(yù)浸布。其優(yōu)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(jù)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(dǎo)熱快、比熱容低、鋼度高、質(zhì)量輕、熱膨脹系數(shù)小、耐熱、熱穩(wěn)定性好、使用壽命長、制造成本低、使用和維護簡便、便于運輸?shù)忍匦裕貏e是良好的導(dǎo)熱性、熱態(tài)剛性和氣密性這三方面，同時對模具的設(shè)計要求也比較高。以下是在生產(chǎn)實際中，碳纖維復(fù)合材料制品廠家采用較多的幾種材質(zhì)：
（1）鋁：導(dǎo)熱性和加工工藝性好，質(zhì)量輕，但熱膨脹系數(shù)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(shù)產(chǎn)品，缺點是質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(fù)合材料成型的質(zhì)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(gòu)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(fù)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(fù)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(gòu)件邊緣流動，有助于控制構(gòu)件的纖維含量。
（8）可剝布：允許揮發(fā)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(gòu)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(qū)別在于模具的不同以及根據(jù)制品所需性能而設(shè)定的工藝參數(shù)。下面就以無錫威盛新材料科技有限公司為國內(nèi)某小型新能源汽車設(shè)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(yù)浸料剪裁（下料）、鋪疊、預(yù)壓實三個環(huán)節(jié)。整個結(jié)構(gòu)形式和鋪層設(shè)計都應(yīng)考慮可鋪疊性，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(yù)浸料鋪層的整體性和可操作性，需要將預(yù)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(nèi)進行預(yù)加熱，然后在模具內(nèi)壁刷好脫模劑，將剪裁好的預(yù)浸料盡量展開成平面，小心地放入磨具之中，逐步壓實，使預(yù)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(yù)浸料。對于不規(guī)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(jù)該電池箱體所需承載力，確定預(yù)浸料的鋪層為兩層3k加三層單向預(yù)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(yù)壓實階段就是要在鋪層操作中去除揮發(fā)分、預(yù)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(gòu)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(yù)壓實，這對成型質(zhì)量有很大影響。總體來說，這個環(huán)節(jié)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(yù)浸料做再一次的修整，盡量壓出空氣，使預(yù)浸料經(jīng)歷樹脂流動、樹脂固化、纖維密實等過程后，最終實現(xiàn)固化。
將真空袋封裝好的模具及構(gòu)件連接真空泵（緩沖器），推送至熱壓罐內(nèi)，并按照材料工藝特性、構(gòu)件形狀尺寸、設(shè)備情況制定熱壓罐工作的工藝參數(shù)。對不妨礙熱壓罐內(nèi)腔空氣流通的大型構(gòu)件來說，適宜單件固化，對形狀不復(fù)雜的小尺寸件來說，則可以一罐多件。用于復(fù)合材料成型工藝的熱壓罐其使用壓力一般小于1.6MPa，國內(nèi)重要的航空結(jié)構(gòu)用復(fù)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(tǒng)在工作過程中，可在各加溫區(qū)和制品的有關(guān)部位設(shè)立測溫點，溫度分布狀況可由中心控制系統(tǒng)采集、顯示，并按工藝要求調(diào)節(jié)升溫和降溫速率，以保證制品的固化質(zhì)量。
對于重要產(chǎn)品，在固化過程中，罐體內(nèi)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(fā)物引起燃燒或爆炸。當罐內(nèi)溫度高于150℃或壓力大于1MPa時就應(yīng)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(xiàn)漏氣現(xiàn)象，遇到這種情況，應(yīng)根據(jù)實際情況判斷處理。如果是輕微漏氣，則允許繼續(xù)固化，并采用通大氣措施減緩真空袋破裂，嚴重時應(yīng)停機修補。
3.3脫模
熱壓罐固化過程結(jié)束后，要等罐內(nèi)溫度和壓力逐漸降至安全指數(shù)以下再實施停機，打開罐門取出模具及構(gòu)件。當模具溫度降至50℃以下再將構(gòu)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(zhì)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(fù)合材料制品時，常出現(xiàn)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(fù)合材料構(gòu)件的主要缺陷之一就是分層。分層是層間應(yīng)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(shè)計和工藝上的改良減小殘余應(yīng)力，也可以通過提高樹脂韌性減少發(fā)生幾率。
4.2孔隙和疏松
孔隙是指碳纖維復(fù)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。孔隙長大到一定程度就會形成氣孔，是一種呈宏觀狀態(tài)出現(xiàn)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(dǎo)致復(fù)合材料層內(nèi)纖維與樹脂以及樹脂與樹脂之間產(chǎn)生均勻孔隙的現(xiàn)象。對策一是控制樹脂壓力，要大于揮發(fā)分含量和飽和蒸氣壓的乘積，二是要在預(yù)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(fù)合材料制品與設(shè)計標準不符，外形曲率等參量發(fā)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(diào)整鋪層設(shè)計；在固化溫度、降溫速率方面進行工藝優(yōu)化；改變模具材料的種類或結(jié)構(gòu)形式；通過加強筋、施加應(yīng)力等方式強迫矯正。
另外，如果兩層復(fù)合材料膠接界面之間發(fā)生大面積脫開現(xiàn)象或者膠接不良的現(xiàn)象，往往是模具裝配以及人為操作失誤造成的，需加強規(guī)范性操作管理。
5.整體化成型技術(shù)：
整體成型是復(fù)合材料的優(yōu)點和特點之一，是熱壓罐工藝常用技術(shù)。采用共固化或共膠接等方式，能大量減少零件、緊固件數(shù)目，從而實現(xiàn)復(fù)合材料從結(jié)構(gòu)設(shè)計到制造一體化成型，在滿足結(jié)構(gòu)總體性能要求的前提下，進一步減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本，特別是制造成本。該技術(shù)適用于機翼整體化、整體機身段等大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造。
5.1技術(shù)方式
共固化是指兩個或兩個以上的零件經(jīng)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(yù)固化的復(fù)合材料零件通過膠接而連在一起，其間僅有的化學(xué)或熱的反應(yīng)是膠膜的固化。共膠接則是把一個或多個已經(jīng)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(jié)合。
5.2技術(shù)優(yōu)勢
該種技術(shù)能有效減少零件數(shù)目和連接件數(shù)目，易于建立大型制品融合體布局，避免鉆孔，減少構(gòu)件加工損傷，從而增加機體表面光滑完整度。
5.3技術(shù)風(fēng)險
但是這種技術(shù)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(fēng)險；另一方面，因為模具變得大而復(fù)雜，設(shè)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(fù)合材料成型過程中普遍使用的工藝之一，適宜制作夾層結(jié)構(gòu)件和層壓板構(gòu)件，例如，高鐵等輕軌類車體的車廂板，也可用來制作組合構(gòu)件和膠接構(gòu)件，例如汽車類大型零部件。從大尺寸、外形較復(fù)雜的航空、航天CFRP構(gòu)件的制造到輕量化趨勢影響下，汽車、高鐵等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，熱壓罐工藝將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。