熱壓罐是飛機(jī)復(fù)合材料大部件制造專用設(shè)備,廣泛用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、發(fā)動機(jī)短艙、艙門、整流罩、雷達(dá)罩等金屬/非金屬膠接構(gòu)件和樹脂基碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的固化成形。熱壓罐這三個字形象地表示出了其最主要的外形特點(diǎn)和功能:“罐”——熱壓罐是圓筒形的臥式壓力容器;“熱”——熱壓罐內(nèi)可以提供450℃以上的均勻溫度;“壓”——熱壓罐內(nèi)可以提供超過20個大氣壓的均勻分布壓力。
熱壓罐系統(tǒng)是一套能實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、真空、冷卻、循環(huán)等工藝參數(shù)時序化、實(shí)時在線控制的系統(tǒng)設(shè)備,由機(jī)械、功能、控制這三大部分組成。機(jī)械部分包括罐體、底板與小車、氣流控制裝置、密封裝置等;功能部分包括加熱、加壓、抽真空以及冷卻系統(tǒng);控制部分包括溫度、壓力的手動和自動控制系統(tǒng)。
作為飛機(jī)復(fù)合材料大部件制造專用設(shè)備,熱壓罐是一個復(fù)雜的系統(tǒng),因此其設(shè)計制造也具有較大的難度,世界上能夠提供大型航空航天復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)量固化用熱壓罐的國家屈指可數(shù)。波音、空客、龐巴迪干線飛機(jī)制造中使用的熱壓罐,主要來自美國ASC公司、熱設(shè)備公司、熱壓罐公司及意大利特魯茲公司、韓國SFA公司(原英國航空成形公司)、日本川崎重工、日本羽生田公司等。2014年9月12日,川崎重工展示了用于波音787前機(jī)身制造的熱壓罐,該設(shè)備直徑9米,長30米,重920噸,一出現(xiàn)便刷新了熱壓罐尺寸的世界紀(jì)錄。
大型民用飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼的復(fù)合材料大部件制造,一般都是先利用自動鋪放工藝,將碳纖維預(yù)浸料順序鋪疊在成形模具上制成坯體,然后將模具和胚體整體放入熱壓罐,并在一定的溫度和壓力下使預(yù)浸料中的樹脂固化,成形出最終的外形,之后從熱壓罐中取出部件,完成最后的加工、檢測和裝配。熱壓罐在大型復(fù)合材料構(gòu)件制造中扮演的角色,就相當(dāng)于一臺烘焙機(jī),讓構(gòu)件由軟變硬,最終定型,是復(fù)合材料大部件制造中最關(guān)鍵的設(shè)備之一。
熱壓罐的主要優(yōu)點(diǎn)在于,罐內(nèi)壓力和溫度均勻,在其共同作用下,可滿足復(fù)合材料高纖維含量的要求,成形構(gòu)件的孔隙率低,樹脂含量均勻,具有較高的力學(xué)性能和較穩(wěn)定的物理性能;適用范圍廣,可用于層壓、夾芯、膠接和縫紉等各種結(jié)構(gòu),模具也相對比較簡單,效率高,尤其適用于具有高性能要求的大型復(fù)合材料構(gòu)件的固化成形。
任何事物都具的兩面性,熱壓罐的缺點(diǎn)主要是購置成本高、能耗高、加熱/冷卻周期長,近年來航空航天工業(yè)一直在探尋不使用熱壓罐的低成本方法,但熱壓罐的上述兩個優(yōu)點(diǎn)使其仍舊牢牢占據(jù)著復(fù)合材料構(gòu)件固化成形的主流工藝。
目前,波音、空客、龐巴迪公司干線飛機(jī)的復(fù)合材料機(jī)身和機(jī)翼等絕大多數(shù)主承力構(gòu)件,以及大部分次承力構(gòu)件,都需要通過熱壓罐固化成形。按重量計算,世界上80%以上的航空航天復(fù)合材料構(gòu)件都是采用熱壓罐工藝固化成形的。即便是20年后非熱壓罐固化工藝開始大量應(yīng)用于主承力構(gòu)件,按重量計算的熱壓罐使用率也將超過60%~70%。因此,不論是現(xiàn)在還是未來,熱壓罐在飛機(jī)復(fù)合材料的制造中都是不可或缺的,它作為復(fù)合材料烘焙利器的地位也是難以撼動的。