[科普中国]-膨胀成型

膨胀成型（Expansion molding）是指复合材料预浸料在闭合刚性阴模中通过硅橡胶芯模的热膨胀来实现对复合材料加压固化的成型工艺方法。该方法也可用开放式阴模，硅橡胶模主要起均压作用，固化压力来源于外压源。闭模法只需要烘箱对模具加热，不需要造价昂贵的热压罐设备，而且成型模具相对而言比较简单，只要求阴模有很好的刚度。同时，硅橡胶芯模能产生各个方向的膨胀压力，特别适用于结构复杂的复合材料结构件的成型。

简介膨胀成型（Expansion molding）是指复合材料预浸料在闭合刚性阴模中通过硅橡胶芯模的热膨胀来实现对复合材料加压固化的成型工艺方法。该方法也可用开放式阴模，硅橡胶模主要起均压作用，固化压力来源于外压源。闭模法只需要烘箱对模具加热，不需要造价昂贵的热压罐设备，而且成型模具相对而言比较简单，只要求阴模有很好的刚度。同时，硅橡胶芯模能产生各个方向的膨胀压力，特别适用于结构复杂的复合材料结构件的成型。

纤维增强塑料是工程塑料应用的一种重要形式，其中连续纤维增强树脂基复合材料是最具有工程应用价值的结构材料之一。碳纤维复合材料是现代先进复合材料的代表，因其高比强度、高比刚性的特点而在航天、航空、电子等领域广泛应用。现代先进复合材料结构设计基本特点是尺寸大、形状复杂，强调整体性，对制造技术提出了更高的要求，一般的工艺方法难以适应1。

膨胀成型工艺基本原理碳纤维复合材料结构件形式多样，成型工艺也各不相同。一般复合材料成型工艺中，复合材料固化压力来源于外压力源，如负压、压力袋、热压罐、模压等。热膨胀工艺与之有本质的区别，热膨胀工艺又称热胀法。以线胀系数较大的材料为芯模，刚体材料为阴模，复合材料置于芯模与阴模之间。当模具受热后，芯模材料会受热膨胀，但由于芯模材料的线胀系数比阴模材料大几十倍，因此芯模的体积膨胀受到阴模的限制，则在模腔内产生压力，这种压力称为热胀压力，以此实现对复合材料固化过程的加压。这种方法是靠芯模热膨胀产生的压力，无需外压源，适合于复杂结构制品的整体共固化。在某些多腔体结构中，克服了外压难以传递均匀的缺点，具有不可替代的优点2。

膨胀成型工艺过程膨胀工艺中，根据制件的结构特点，必须设计阴模和芯模两套模具。阴模为钢质, 模具内腔尺寸为碳纤维复合材料制件的设计外形尺寸。芯模外形为复合材料制件的内腔体形状，尺寸比制件设计的值一定的量，所减少的尺寸称为工艺间隙。工艺间隙在整个工艺中的关键作用是控制加压点和压力的大小。在复合材料制造中，先在钢质阴模内按设计铺放预浸料，然后在腔体内放置膨胀芯模，模具组装后进行加热固化。

膨胀工艺过程：

①自由膨胀段，硅橡胶芯模膨胀填充工艺间隙；

②初始加压段，硅橡胶芯模膨胀挤压复合材料叠层达到设计尺寸；

③恒压段，恒温固化，硅橡胶芯模保持膨胀体积，压力恒定；

④降温降压段，随温度下降，硅橡胶芯模快速收缩，压力迅速减小3。

热膨胀工艺研究1.热膨胀硅橡胶的性能

一般来说， 线胀系数较大的材料都可以用来膨胀加压。芯模材料的线胀系数与阴模应有较大的差异，因而阴模一般用刚性较好的材料。

R10301硅橡胶是由成都有机硅研究中心生产的价格便宜的一种双组分室温硫化硅橡胶， A组分为红色，B组分为无色，胶料粘度低，流动性好，浇注性能好。在硫化过程中不产生低分子挥发物，无腐蚀作用。硫化橡胶尺寸稳定性好，使用最高温度为200℃，在容器内加热、加压永久变形小。

热胀压力由热胀材料的两种性质来决定，一是体胀系数，二是拉伸弹性模量。体胀系数决定了温度升高引起的芯模的体积变化量，它是确定成型压力增量的基础拉伸弹性模量决定了在自由膨胀受到限制时压力增加的程度。

2.硅橡胶芯模的设计和制造

硅橡胶芯模的计算和设计是热胀法的关键。复合材料中树脂凝胶温度的压力，对于产品的外形尺寸、树脂含量、空隙率和力学性能都有很大影响。为了准确地把握产生膨胀压力的起始温度，在芯模与复合材料内腔间设计了一定的工艺间隙，以此来调节加压点及压力大小。芯模经过自由膨胀后才产生压力。设计中确定工艺间隙是设计和计算的核心。

受模具内腔体积、硅橡胶体积、固化后复合材料体积及压力和温度等因素的影响，温度分布又受到传热速度和温差等其它因素的影响。因此，工艺间隙最终经过试验修正才能达到要求。

按此修正尺寸设计了硅橡胶浇注模，为提高效率，设计为一模多腔。硅橡胶芯模的制造是控制制件质量的重要环节，其制造工艺直接影响着成型制件的性能。严格工艺程序，制造了件硅橡胶芯模，其一致性较好，装配间隙均匀。经高温、高压使用后，压缩变形很小，重复使用了几次后性能无明显下降。

3.固化工艺

在一般的外压力源固化工艺中，加压时机可以准确控制。本工艺中压力随温度变化，在设计确定后，可控制参数为升温速率、恒温温度及恒温时间。因此，制定适宜的温度控制程序是关键。

在固化过程中，特别是在加压段，当温度变化很小时，压力增量却很大。为了减小模具、复合材料与硅橡胶之间的温差，在接近前减小升温速率，并增加恒温时间，在加热时严格控制温度。热膨胀工艺制备的碳纤维树脂基复合材料力学性能比较结果与热压罐工艺基本相当3。

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学