劉永慧

摘 要：目前，人們對復(fù)合材料產(chǎn)品性能的要求日益提高。因此，提出了采用真空輔助成形工藝整體制備復(fù)合材料異型件結(jié)構(gòu)的方案，確定了異型件結(jié)構(gòu)整體制作的具體過程，解決了碳纖維預(yù)浸布制作異型件結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題。試制結(jié)果表明，該工藝整體制備復(fù)合材料異型件結(jié)構(gòu)是可行的，為復(fù)合材料廣泛應(yīng)用到高承力、高強度的異型件結(jié)構(gòu)中打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料異型件；碳纖維預(yù)浸布；弦桿；腹桿

中圖分類號：TB332 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.088

真空輔助成形（VARI）是一種新型的低成本、高性能的成形工藝，已被應(yīng)用到了船舶工程中。

1 模型結(jié)構(gòu)及其成形方案

1.1 模型結(jié)構(gòu)的試驗方法

模型的結(jié)構(gòu)形式為“米”字形異型件，弦桿和腹桿均為復(fù)合材方管，在方管內(nèi)填充了Balsa木，弦桿壁厚4 mm，腹桿壁厚3 mm。選用的復(fù)合材料為威海光威生產(chǎn)的碳纖維預(yù)浸布，Balsa木的規(guī)格為B150，密度為0.15 g/cm3。

1.2 真空輔助成形的基本原理

真空輔助成形工藝的基本原理為：在真空狀態(tài)下，排除纖維增強體中的氣體，利用樹脂的流動、滲透浸漬纖維及其織物，并使其在室溫或高溫下固化；固化成形后，通過真空氣壓差對纖維施加一定的正壓力，從而形成具有一定比例的復(fù)合材料構(gòu)件。

2 真空輔助異型件成形過程中的技術(shù)

復(fù)合材料異型件結(jié)構(gòu)整體成形過程中主要用到異型件結(jié)構(gòu)整體成形法、弦桿接頭成形法、桿件預(yù)浸布鋪設(shè)法和真空輔助成形流道鋪設(shè)、固化法。

2.1 整體成形法

針對復(fù)合材料異型件結(jié)構(gòu)特殊的結(jié)構(gòu)形式，提出了分步制作、整體成形的模型制作方法：在木模具上鋪設(shè)碳纖維預(yù)浸布，抽真空固化制作得到U形異型件；在U形異型件內(nèi)填充Balsa木和預(yù)埋金屬內(nèi)芯，Balsa木、接頭內(nèi)芯與U形異型件管壁用結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)；在成形的U形異型件的桿件和弦桿接頭上纏繞碳纖維預(yù)浸布，對桿件進行局部補強和整體纏繞加強，并進行預(yù)埋接頭與桿件的整體固化成形，從而得到模型樣件。

2.2 接頭整體成形法

通過計算得到弦桿接頭需要承受的拉壓荷載，針對結(jié)構(gòu)、受力的特點設(shè)計T形預(yù)埋接頭內(nèi)芯。接頭的成形方法為：先將接頭內(nèi)芯預(yù)埋到弦桿和腹桿中，用木塊壓實預(yù)埋接頭，保證預(yù)埋接頭的內(nèi)芯與桿件整體呈平面、保持豎直；使用碳纖維預(yù)浸布沿弦桿受力方向包裹內(nèi)芯，使接頭內(nèi)芯與復(fù)合材料弦桿整體固化為一體。采用該方案可將預(yù)埋接頭內(nèi)芯與桿件連為一體，使各受力部分協(xié)同受力，從而提供較大的拉壓力。

2.3 鋪設(shè)、纏繞預(yù)浸布

整體采用交叉鋪設(shè)的方法，即一層預(yù)浸布全部鋪設(shè)、纏繞、搭接完成后，再鋪設(shè)下一層預(yù)浸布，并使各層預(yù)浸布交叉搭接。在初成形的異型件結(jié)構(gòu)上纏繞、包裹碳纖維預(yù)浸布的方法為：將預(yù)浸布平鋪在異型件表面，預(yù)浸布中心線與桿件中心線對齊，順勢將預(yù)浸布向兩側(cè)腹板平鋪，施加一定的張力，并保持表面平整。

2.4 真空輔助成形流道鋪設(shè)、固化法

由于復(fù)合材料異型件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鋪層不規(guī)則，為了保證樹脂對纖維的充分浸潤，并吸走預(yù)浸布高溫固化時多余的樹脂和氣泡，按照樹脂在纖維中的流動規(guī)律、遵循Darcy定律布設(shè)了導(dǎo)流網(wǎng)和導(dǎo)流管。Darcy定律為：

θ = S·A·△P/μ·L. （1）

式（1）中：θ為通過恒定面積試件的體積流動速率；S為滲透率，與長度的平方相關(guān)的常數(shù)；A為試件的橫截面積；△P為試件的壓力梯度；μ為樹脂黏度；L為試件液體流動的長度。

最終確定的導(dǎo)流設(shè)施布置方法為：在纏繞成形的樣件前部包裹脫模布和導(dǎo)流網(wǎng)，真空袋包裹所有桿件，并在樣件端部布置了1個出膠口，從而吸出多余的樹脂；抽真空，壓實各折角處的導(dǎo)流網(wǎng)和真空袋，待真空度達到0.08 MPa時，緩慢升溫至80℃，固化1 h后升溫至100℃，再固化1 h后升溫至120℃，并在120℃的環(huán)境下保持2 h；在固化過程中，應(yīng)不斷地觀察固化效果，待樹脂完全固化完后緩慢降溫，最后脫模得到模型樣件。

3 外觀檢測

脫模后應(yīng)及時觀測，成形后桿件的尺寸與設(shè)計尺寸基本相符。檢測試件外觀后發(fā)現(xiàn)，樣件整體成形效果較好，桿件鋪層較密實，但其表面存在一些問題：①弦桿接頭處存在纖維褶皺現(xiàn)象；②桿件厚度不一，表面不是平面。這些問題在后期制作實物樣件時均會改進。

4 結(jié)論

本文通過采用真空輔助成形工藝整體制備碳纖維復(fù)合材料異型件樣件，得出了以下2點結(jié)論：①本文提出的分步制作、整體成形、整體制備復(fù)合材料異型件模型樣件方案經(jīng)濟、方便、可行，證明了真空輔助成形工藝用于制備異型件結(jié)構(gòu)是合理、先進的，為解決軍用復(fù)合材料異型件結(jié)構(gòu)減重問題提供了低成本的制造方法和技術(shù)方案；②從構(gòu)造和工藝方面出發(fā)，本文提出的整體制備拉壓接頭具有一定的創(chuàng)新性，T形預(yù)埋接頭內(nèi)芯構(gòu)造合理，接頭承載效果良好。

一些需要改進之處為：①繞桿件纏繞的纖維在真空吸附受壓時，纖維會有褶皺、翹曲的現(xiàn)象，這會對桿件和接頭性能造成一定的影響。因此，在工藝上應(yīng)優(yōu)化纖維的纏繞方法，避免此類問題的發(fā)生。②需要對異型件進行加載試驗，驗證異型件的力學(xué)性能，從而有針對性地優(yōu)化工藝。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕