陳 萍， 劉 玲， 王占吉， 何少剛，

(1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司國家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心，上海 200436;2.同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海 200092)

高性能復(fù)合材料通常采用熱壓罐成型工藝，其較高的設(shè)備和工時成本對于日益增長的復(fù)合材料工業(yè)來說，已經(jīng)越來越凸顯其固有的局限性。隨著復(fù)合材料和工藝技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的預(yù)浸料，即非熱壓罐預(yù)浸料，該類預(yù)浸料不采用熱壓罐工藝成型，可在一個大氣壓或更低的壓力下固化成型，有時又稱為真空袋預(yù)浸料，即通過真空袋法固化成型［1］。Thorfinnson等人將一種特殊配方的樹脂制備成預(yù)浸料，在預(yù)浸料中留出一些干纖維，從而最早發(fā)展起來非熱壓罐預(yù)浸料，該配方的樹脂在傳統(tǒng)熱壓罐工藝中設(shè)計成177℃固化成型，但經(jīng)過預(yù)留真空通道，在烘箱中抽真空并在121℃固化成型，兩種工藝得到的結(jié)構(gòu)件性能基本相等［2，3］。Brietigam 等人則對早期的非熱壓罐預(yù)浸料樹脂進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的熱壓罐工藝相比，采用非熱壓罐預(yù)浸料可以節(jié)省約75%的工藝時間，而進(jìn)行后固化處理后，所得層合板的力學(xué)性能與熱壓罐工藝所得層合板相等［4］。波音和空客公司在當(dāng)代客機(jī)和下一代客機(jī)中計劃廣泛采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料工業(yè)蓬勃發(fā)展，其市場份額顯著增加［5］，但熱壓罐工藝費(fèi)時且昂貴，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前和下一代客機(jī)復(fù)合材料的生產(chǎn)效率。非熱壓罐工藝必將成為航空復(fù)合材料主要的制造方法之一［5］。

樹脂在干纖維區(qū)域的浸潤流動是非熱壓罐預(yù)浸料加工過程中主要的微結(jié)構(gòu)變化，該過程直接影響氣泡的演變和孔隙的形成。因此，研究樹脂浸潤流動行為對控制產(chǎn)品質(zhì)量尤其重要。而對樹脂的浸潤流動的研究通常采用超聲無損檢測方法或者埋入光纖傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測［6～8］。對于預(yù)浸料，由于樹脂沒有固化，按照傳統(tǒng)的水浸超聲無損檢測方法，不能實現(xiàn)在線檢測。通常將不同浸潤程度的試樣固化，然后通過超聲檢測樹脂的流動狀態(tài)或浸潤程度。Thomas等人應(yīng)用超聲C掃描技術(shù)，將預(yù)浸料進(jìn)行真空袋法密封，然后將裝置浸入水槽，對水加熱后，在選定時間點(diǎn)將試樣取出并放入超聲掃描水槽進(jìn)行掃描，研究了樹脂的浸潤流動情況［9］。該方法的缺點(diǎn)是由于溫度對水浸探頭的信號影響較大，所以不能實現(xiàn)在線實時檢測［9］。Stoven等較早地采用空氣耦合超聲檢測方法對RTM工藝中樹脂在纖維網(wǎng)架中的浸潤和填充率進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由超聲檢測得出的填充率和目視觀察得到的填充率相同［10］。近年來，空氣耦合超聲檢測技術(shù)不斷成熟并走向應(yīng)用，對于不能水浸檢測的試樣，空氣耦合超聲無損檢測技術(shù)較好地彌補(bǔ)了該方面的不足，其非接觸、空氣耦合等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在線快速檢測，該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景［11，12］。目前為止，少有文獻(xiàn)報道應(yīng)用空氣耦合超聲無損檢測方法來評估復(fù)合材料的研究［12］。

本工作對非熱壓罐預(yù)浸料在升溫和恒溫階段的樹脂浸潤流動行為進(jìn)行了研究，通過采用空氣耦合超聲C掃描方法，應(yīng)用掃描圖片實時研究了樹脂的浸潤流動變化，并且采用金相圖片分析方法驗證了該超聲C掃描方法的合理性。

1 實驗方法

1.1 材料與試樣制備

實驗所用材料為Cytec中模高強(qiáng)碳纖維環(huán)氧樹脂非熱壓罐預(yù)浸料，其中單向的碳纖維層面密度為190g/m2，基體樹脂密度為1.02g/cm2。樹脂膜粘貼在纖維層的兩側(cè)，部分浸入纖維層，形成纖維層中間為干纖維的部分浸潤預(yù)浸料。預(yù)浸料的厚度約0.187mm。

裁剪大塊預(yù)浸料，預(yù)備進(jìn)行超聲C掃描，在均勻分布區(qū)域切取升溫和恒溫試樣。裁剪100mm×100mm三塊預(yù)浸料試樣，試樣兩面緊貼鋁板(涂脫模劑)，然后進(jìn)行固化操作，所得試樣作為超聲C掃描的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.2 超聲C掃描

采用的超聲掃描裝置為NAUT21型空氣耦合超聲C掃描儀，如圖1所示。掃描方式為透射法，如圖2所示。

圖1 空氣耦合超聲C掃描系統(tǒng)Fig.1 Air－coupled ultrasound C－scan system

圖2 超聲波透射法示意圖Fig.2 Map of ultrasonic transmission technique

將標(biāo)準(zhǔn)試樣放置在空氣耦合掃描儀的工作臺面上，使試樣的掃查面與超聲發(fā)射接收探頭保持垂直，并且發(fā)射探頭和接收探頭的軸線保持在同一豎直線上，使接收探頭基本能完全接收到透射超聲信號。調(diào)節(jié)掃描參數(shù)，使接收信號強(qiáng)度達(dá)到80%以上，并保存掃描參數(shù)。掃描所用探頭頻率為600kHz。在掃描程序中，設(shè)置C掃描圖片中紅色為透射信號強(qiáng)度接近80%，黃色為透射信號接近40%，而藍(lán)色表示透射信號接近20%，黃色和紅色中間顏色表示透射信號強(qiáng)度在40% ～80%之間，而藍(lán)色和黃色的中間顏色表示透射信號在20%～40%之間。

采用上述掃描參數(shù)對準(zhǔn)備好的大塊預(yù)浸料進(jìn)行掃描，將灰度顯示均勻一致的區(qū)域裁剪成100mm×75mm的若干試樣，對試樣進(jìn)行升溫和恒溫實驗。首先，取3塊試樣放置于真空干燥箱中，升溫速率為1℃/min。當(dāng)真空干燥箱溫度顯示為40℃，60℃，80℃和100℃時，分別取出試樣進(jìn)行掃描。放入試樣前，將試樣平整粘貼在同樣尺寸的矩形鋁框架上，保證試樣加熱后容易取出，保持平整狀態(tài)并及時進(jìn)行掃描。

其次，取裁剪好的試樣，在兩側(cè)貼上耐90℃高溫的有機(jī)玻璃，并將試樣抽真空3min，消除夾雜氣體。然后將試樣放置在可以恒溫的數(shù)控電熱板上，進(jìn)行恒溫操作(如圖3所示)，研究在相同溫度下，不同時間樹脂的浸潤流動。恒溫溫度設(shè)定為60℃和80℃，每個恒溫溫度的平行試樣分別為3個。將貼有有機(jī)玻璃的試樣放置在加熱板上，然后升溫，當(dāng)溫度顯示為60℃，設(shè)置為恒溫，用紅外數(shù)顯溫度計測量試樣的溫度，當(dāng)試樣溫度達(dá)到60℃，取試樣進(jìn)行掃描一次，掃描時間大約3min，然后將試樣放回加熱板繼續(xù)恒溫，在60℃恒溫0min，10min，20min，30min，40min，60min后分別進(jìn)行超聲 C掃描。在80℃恒溫時，進(jìn)行相同的操作來觀測樹脂的流動情況。

1.3 金相試樣制備

圖3 恒溫操作示意圖Fig.3 Setup of temperature holding

取升溫過程試樣在初始40℃和升溫結(jié)束100℃時的試樣塊制備金相分析試樣，在超聲灰度圖分布比較均勻的區(qū)域，裁剪15mm×30mm的小塊，在常溫下進(jìn)行冷鑲嵌，盡量避免溫度對樹脂流動的影響。60℃和80℃的恒溫試樣，取恒溫開始和結(jié)束兩個狀態(tài)的試樣進(jìn)行鑲嵌。將所有試樣打磨和拋光后得到圖4所示的金相分析試樣。在MM－7光學(xué)顯微鏡下，觀察不同試樣中樹脂的浸潤流動狀態(tài)。同時，采用ImageJ軟件計算對所得的顯微圖片進(jìn)行孔隙率分析。

圖4 金相分析試樣Fig.4 Specimens of metallographic analysis

2 結(jié)果與討論

2.1 升溫對樹脂流動的影響

圖5為預(yù)浸料在不同溫度時的空氣耦合超聲C掃描圖片，其中圖5a～d分別對應(yīng)40℃，60℃，80℃和100℃恒溫試樣的圖片。從圖5a可以看出，灰度圖中藍(lán)色區(qū)域較多(超聲波透過率低)，說明試樣內(nèi)部存在較多的干纖維或孔隙，這是因為，在該溫度下，樹脂的黏度較大，由于沒有壓力作用，所以基本不發(fā)生流動。當(dāng)溫度升高到60℃時，灰度圖中的藍(lán)色區(qū)域略有減小，說明樹脂已發(fā)生了浸潤流動，樹脂滲透到干纖維和孔隙當(dāng)中，使得預(yù)浸料浸潤程度增大，因此藍(lán)色灰度區(qū)域略有減小，如圖5b所示。當(dāng)溫度達(dá)到80℃時，樹脂流動性增強(qiáng)，圖片上出現(xiàn)較多黃色區(qū)域，并開始出現(xiàn)零星的紅色區(qū)域，如圖5c所示。當(dāng)溫度達(dá)到100℃，整個試樣中樹脂的浸潤流動比較均勻，僅存在少量藍(lán)色區(qū)域，這可能是由于溫度升高，樹脂浸潤流動加快，局部夾雜的氣泡或孔隙縮小，其內(nèi)部壓力增大，阻止了樹脂的進(jìn)一步流動，形成了內(nèi)部缺陷導(dǎo)致圖示的結(jié)果，如圖5d所示?？梢钥闯?，當(dāng)溫度在100℃時，樹脂對纖維網(wǎng)架的浸潤達(dá)到一定程度，但由于沒有完全填充，所以并未呈現(xiàn)大片紅色區(qū)域。

根據(jù)NAUT21型空氣耦合超聲C掃描程序，可以設(shè)置統(tǒng)計出掃描圖中透過率較大的紅色或黃色區(qū)域占總的掃描面積的百分比，本工作將其定義為樹脂對纖維網(wǎng)架的填充率，其余則為干纖維和孔隙等超聲波透過率低的區(qū)域。圖6給出了各試樣隨溫度升高時的填充率，可以看出，隨溫度升高，樹脂流動性增強(qiáng)，對纖維網(wǎng)架的填充率增大。溫度從40℃升至100℃時，平均填充率從9.6%升高到49.2%左右。根據(jù)圖6所得的填充率變化，以及升溫時間和掃描試樣尺寸，采用文獻(xiàn)［9］的方法，可以算出樹脂的浸潤流動速率，表1給出了由超聲信號變化統(tǒng)計所得的各試樣在不同溫度點(diǎn)的平均流速，可以看出，在80℃左右樹脂浸潤流動最快，而在100℃時浸潤速率開始變慢，這可能是因為，雖然溫度升高使樹脂黏度降低(表1)，但試樣中孔隙或夾雜氣泡的壓力同時增大，從而阻礙了樹脂浸潤流動，因此流速略有減小。

根據(jù)圖5a和d所示，截取掃描區(qū)域中樹脂分布均勻的區(qū)域，制備金相試樣，所得試樣沿厚度方向的顯微圖片如圖7所示?？梢钥闯?，在40℃時，纖維層內(nèi)中間部分為干纖維和孔隙，未被浸潤的干纖維呈松散狀態(tài)(圖7a所示);當(dāng)溫度達(dá)到100℃，由于樹脂流動浸潤填充，纖維層內(nèi)干纖維和孔隙比例降低(圖7b所示)。樹脂的流動沒有明確的流動前沿，樹脂沿纖維層上、下和側(cè)面流動填充纖維束。根據(jù)ImageJ軟件，得到圖中孔隙占纖維層橫截面的比例(即孔隙率)分別約為27.2%(圖7a)和9.6%(圖7b)，孔隙率降低了17.6%，與超聲檢測結(jié)果趨勢一致。

表1 試樣在升溫過程中的平均流速Table 1 Flow speed of the specimens subjected to temperature rising

圖5 不同溫度時的超聲C掃描圖片 (a)40℃;(b)60℃;(c)80℃;(d)100℃Fig.5 C－scan images at different temperature，with 40℃(a)，60℃(b)，80℃(c)，and 100℃(d)

圖6 樹脂對纖維網(wǎng)架的填充率隨溫度的變化曲線Fig.6 Filled region of resin versus temperature

2.2 恒溫時間對樹脂流動的影響

根據(jù)圖5～7可得出，在實際工藝過程中，如果在樹脂浸潤流動性良好的時刻進(jìn)行恒溫操作，可提高樹脂對纖維的浸潤程度，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。圖 8為試樣在 60℃ 恒溫 0min，10min，20min和30min的C掃描圖片，可以看出，在60℃恒溫10min內(nèi)樹脂沿厚度方向流動浸潤較快，圖片顏色變黃變紅，當(dāng)達(dá)到20min后，圖片藍(lán)色區(qū)域變化較少，說明樹脂流動緩慢，但紅色區(qū)域略有增強(qiáng)。當(dāng)超過30min后，圖片基本沒有變化(圖8沒有重復(fù)給出，恒溫60min時超聲圖像，基本與圖8d相同)，說明在30min內(nèi)，樹脂基本停止了浸潤流動。

圖7 不同溫度時試樣橫截面的顯微圖片 (a)40℃;(b)100℃Fig.7 Microphotograph of the cross－section at different temperature with 40℃(a)，and 100℃(b)

根據(jù)圖8結(jié)果，得到樹脂對纖維網(wǎng)架的填充率隨時間的變化關(guān)系，如圖9所示。在60℃恒溫0min時，填充率為15.9%，恒溫30min時為38.8%(如圖9所示)，浸潤率增加了22.9%。恒溫60min時，浸潤率為 41.7%，相比 30min的 38.8%，僅增加2.9%，平均每10min增加的幅度小于1%，所以認(rèn)為30min后，樹脂基本停止了流動。由圖9計算出樹脂的平均流速為3.44×10－7m/s，如表2所示。

圖10給出了試樣在60℃恒溫0min和60min時的金相分析圖片，可以看出，經(jīng)過恒溫操作，孔隙和干纖維明顯減少，由ImageJ計算得到橫截面上的孔隙率分別為24.6%和15.3%(表2)，孔隙率降低了9.3%，與C掃描結(jié)果趨勢一致。

圖11為試樣在80℃恒溫0min，10min，20min和30min的C掃描圖片，與60℃恒溫結(jié)果相似，在前10min內(nèi)圖片變化最明顯，說明樹脂流動較快，但在20min以后，圖片變化不明顯，說明在20min以后樹脂基本停止了流動。圖12給出了程序統(tǒng)計的各試樣的填充率隨時間的變化關(guān)系，在80℃恒溫0min，10min，20min，30min和60min的平均填充率分別為33.5%，58.1%，71.5%，76.0% 和 77.8%，即從恒溫20min到60min，填充率僅增加 6.3%，平均每10min僅增加約1.6%，可以認(rèn)為在20min后基本不再發(fā)生浸潤流動。因此，計算得到樹脂的流速為8.08×10－7m/s(如表2)，比60℃恒溫的浸潤流速增大。但由于樹脂流動較快促使孔隙或氣泡加快縮小，其內(nèi)壓增大從而阻礙了樹脂的進(jìn)一步流動，因此比60℃恒溫流動時間縮短了。

圖8 60℃恒溫不同時間的超聲C掃描圖片 (a)0min;(b)10 min;(c)20 min;(d)30 minFig.8 C－scan images at 60℃，with 0min(a)，10 min(b)，20 min(c)，and 30 min(d)

圖9 60℃時樹脂對纖維網(wǎng)架的填充率隨時間的變化曲線Fig.9 Filled region of resin versus time variation at 60℃

表2 試樣在恒溫過程中的平均流動速率Table 2 Flow speed of the specimens under constant temperature

由圖11得到了圖13所示的試樣的橫截面圖，分別為80℃恒溫0min(圖13a)和60min(圖13b)的典型圖片?？梢钥闯觯谶_(dá)到80℃時，試樣中的孔隙和干纖維比40℃和60℃明顯減少，當(dāng)恒溫60min后(可以認(rèn)為60min與30min圖片相近)，橫截面孔隙的含量和尺寸明顯減小，統(tǒng)計兩個圖中可視的孔隙率，分別為18.7%和7.9%(表2)，孔隙率降低了10.8%。

研究發(fā)現(xiàn)，試樣僅在升溫或恒溫條件下，溫度變化會引起樹脂在纖維束間和纖維束內(nèi)的浸潤流動，這種微觀變化通過本工作的空氣耦合超聲C掃描圖像和微觀圖像分析，可以實時反映出來。另一方面，預(yù)浸料中樹脂在較低溫度下恒溫發(fā)生流動的時間稍長，流速較慢;在較高溫度恒溫時，流速較快但流動的時間稍短。因此，在較高溫度下，合理進(jìn)行恒溫操作將有利于提高浸潤度并縮短工藝時間。本研究的超聲無損評估方法得到的樹脂浸潤流動速率與文獻(xiàn)［9］報道結(jié)果一致，相差小于一個數(shù)量級，因此進(jìn)一步證明了本研究方法的可行性。

圖12 80℃時樹脂對纖維網(wǎng)架的填充率隨時間的變化曲線Fig.12 Filled region of resin versus time variation at 80℃

圖13 80℃恒溫開始和結(jié)束時試樣橫截面的顯微圖片 (a)0min;(b)60minFig.13 Microphotograph of the cross－section at 0min(a)，and 60min(b)under 80℃

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過升溫和恒溫操作實驗得出，利用空氣耦合超聲C掃描圖片可以反映出樹脂在纖維網(wǎng)架中浸潤流動的微觀變化，金相圖片分析結(jié)果與C掃描結(jié)果一致，證明了超聲C掃描結(jié)果的正確性。因此，空氣耦合超聲C掃描圖片可以定性分析樹脂的浸潤流動變化，如浸潤流動的方位等，也可近似定量分析浸潤流動參數(shù)如流速等。

(2)進(jìn)一步的工作可以將超聲灰度圖中不同灰度對應(yīng)位置做金相分析，統(tǒng)計相應(yīng)的孔隙率，和超聲掃描程序統(tǒng)計的填充率對應(yīng)，建立定量關(guān)系，從而可以使超聲C掃描結(jié)果可以直接定量分析流動參數(shù)。

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