2.2 热隔膜

复合材料梁结构外形狭长、结构复杂，很难应用自动铺放技术，为了使这些大尺寸梁构件的生产也能享受自动化带来的好处，航空工业界的工程师把铺叠过程分成两个阶段：首先通过自动铺带机铺叠出正确形状及铺层的平板叠层，平板的厚度一般在1～5mm之间。然后将平板叠层转移到热隔膜成型机上，使其整体贴合模具，然后再封装固化。

图2-4为热隔膜成型原理图。在热隔膜成型过程中，平板叠层被置于两个可以自由变形的隔膜之间，隔膜被夹持在模具的边缘，首先把双隔膜之间抽成真空以便提供一个夹持平板叠层的压力，并将平板叠层和隔膜组装在真空箱上，然后在平板叠层上面进行红外加热，到达工艺温度时开始对真空箱抽真空，两隔膜之间的平板叠层受大气压力会缓慢贴合到模具表面。该成型工艺的工序类似于片状热塑性塑料的热成型过程，只是热隔膜成型的坯件是由平板叠层预浸料和隔膜共同组成的，隔膜通常是高温可变形材料，如聚酰亚胺薄膜或橡胶薄膜。在成型过程中，被夹持在真空箱边缘的隔膜处于拉伸状态，因此薄膜和平板叠层之间存在相互摩擦作用，这有助于使平板叠层保持张力，从而防止纤维在成型过程中发生屈曲和褶皱。当成型过程结束之后，制件在大气压力下冷却到预浸料软化温度以下，最后卸压并从模具上剥去隔膜取出制件。

图2-4　热隔膜成型原理图

热隔膜成型技术（Hot-diaphragm Forming）已经用于A400M的机翼梁生产。A400M的每个机翼的翼梁分成两段制造，前翼梁分成12m和7m两段，后翼梁分成14m和5m两段，构件的尺寸比较大，如果仍然采用手工铺叠，效率太低，铺叠率一般只有0.75kg/h，因此在生产中将应用铺带机进行铺叠，随后用热隔膜成型出“C”形截面梁，铺叠率能达到25kg/h。为成型出“C”形截面梁，平板叠层被送到由英国Aeroform公司提供的热隔膜成型机上成型。为了便于抽真空，平板叠层夹在两个由杜邦公司提供的卡普顿（Kapton）聚酰亚胺薄膜制成的隔膜之间，隔膜之间密封且抽真空，然后在平板叠层上面进行红外加热，直到将温度升到60℃，这样可以保证平板叠层均匀加热到同一温度，然后缓慢对两隔膜间平板叠层加压，并使其与模具贴合形成机翼梁的内表面。在30min内“C”形截面梁成型完成后，便可去除卡普顿薄膜，将“C”形截面梁转移到殷钢制成的阳膜上，最后封装进热压罐固化（图2-5）。

图2-5　热隔膜成型“C”形截面梁

传统手工铺覆异型件，当铺层厚度大于0.25m时，需要2～3天。而采用热隔膜机，可缩短梁类零件加工周期20%，降低成本30%。而且当铺层厚度大于0.25m时，采用热隔膜预成型机还可有效地减少打褶和纤维屈曲。采用预成型的另一个意义在于，通过将固化分为两步，可以有效地保证精度及合适地控制翘曲。

热隔膜成型已成功地应用于波音777长桁和V22长桁的生产，A400M的机翼前梁也用了此工艺方法生产。

A400M机翼前梁是在英国GKN公司生产的，被称为第一个用热隔膜成型的最大、最关键部件。GKN公司为此投入了140万英镑向西班牙订购了一台11轴、20m长的高速铺带机，使工时比原来手工铺层提高50倍，成本降低30%，不仅提高了质量、紧密度，还减少了无损检测时间。首先在该机上将CYTEC公司提供的预浸料铺成平的层压件，然后将该层压件移至Aeroform公司提供的热隔膜成型机上，置于两层由Dupot Electronic Technologies公司提供的Kapton Polyimide Film（一种聚酰亚胺薄膜）隔膜之间，隔膜中间抽真空，从上面开始缓慢加温（红外线加温）1h，直到温度全部达到60℃，然后再抽真空，将隔膜压紧夹住层压件，均匀压到模具上，约20min结束，保证“C”形梁的内型正确。最后取下预成型件，撕去隔膜（隔膜报废），将预成型件转移到固化工装上，装夹好，送入热压罐固化。

Accudyue公司生产专门的桁条铺带机，可成型30cm宽、11m长的层压件，铺层速度为100ft/min（30.48m/min），边缘平齐度为0.018in（0.457mm），切割精度为0.030in（0.762mm），有塔式装卸装置，可自动更换材料。

波音777和V22的长桁铺层后用热隔膜成型，克服了用老办法成型时的表面皱褶及其他缺陷。其中V22用的是正向成型法，而波音777采用的是反向成型法，即将材料置于模具下部，隔膜又置于材料下部，抽真空后通过隔膜向上将材料包向模具，补加工或需添补之处在进入热压罐前在夹具上解决。