潘永生

(海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，哈爾濱150066)

復(fù)合材料制品的固化變形研究

潘永生

(海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，哈爾濱150066)

熱固性樹脂基復(fù)合材料在熱壓罐成型過程中，由于模具的約束作用，工件內(nèi)部會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進而引起工件回彈變形和翹曲變形。本文以層合板為例，分析固化工藝、鋪層方式等因素對固化變形的影響。

熱固性復(fù)合材料;固化變形;殘余應(yīng)力

1 引言

直升機的機身結(jié)構(gòu)復(fù)合材料比例越來越大，復(fù)合材料件在生產(chǎn)過程中由于材料本身特性及工藝方法等因素會產(chǎn)生變形。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷高溫固化成型及冷卻過程后，由于材料的熱脹冷縮效應(yīng)，基體樹脂的化學(xué)反應(yīng)收縮效應(yīng)，其在室溫下的自由形狀與預(yù)期的理想形狀之間會產(chǎn)生一定程度的不一致，通常將這種不一致狀態(tài)稱為構(gòu)件的固化變形。高性能復(fù)合材料如碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的固化過程是基體材料從固態(tài)到熔融態(tài)再到固態(tài)的過程，這個過程是一個復(fù)雜的熱、化學(xué)和力學(xué)性能急劇變化的過程，熱效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形。固化殘余應(yīng)力和變形產(chǎn)生的來源有材料特性、鋪層方式、工件形狀、工藝方法、模具表面質(zhì)量等因素。產(chǎn)品脫模后，一部分應(yīng)力得以釋放，促使工件產(chǎn)生變形，另一部分應(yīng)力在工件中以殘余應(yīng)力的形式長久存在。本文僅從鋪層方式、結(jié)構(gòu)各向異性、固化過程中的材料行為、固化工藝等四個方面分別加以詳細討論分析。

2 鋪層方式影響

由于纖維和基體的線膨脹系數(shù)不同，一般材料的橫向線膨脹要遠遠大于縱向線膨脹，而橫向模量則遠小于縱向模量，因此溫度改變引起的每層的熱膨脹和鋪層方式關(guān)系密切。對于［0/90］鋪層方式的層合板，由于縱向和橫向線膨脹系數(shù)的不同，固化變形非常明顯。對于［0/90/90/0］對稱鋪層方式來說，層板不產(chǎn)生曲率變形，這是因為面內(nèi)應(yīng)力在厚度方向上得以平衡。

2.1 鋪層方向

表1為三種鋪層方向L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對比。鋪層方向?qū)雍习宓姆逯禍囟群推街辈糠謽渲植加绊懞苄?，但對拐角部分影響較大。［90］50層合板拐角處樹脂含量最低，回彈角最小，［45/02/-45/90］5S層合板回彈角和拐角處樹脂含量最高，比［0］50層合板的回彈角稍小。三種不同鋪層拐角部分平均樹脂含量最大差值為3.5%，但回彈角的差別卻達到0.69°。不同壓力下，層合板樹脂分布的最大差值同樣為3.5%，但回彈角的差值僅為0.06°。因此鋪層方向引起的力學(xué)性能差異是回彈角相差較大的主要原因，不同鋪層方向引起的樹脂分布差異對回彈角變化影響相對較小。［90］50層合板拐角處周向與徑向熱膨脹系數(shù)相同，其固化變形主要由樹脂分布不均勻引起的，故其固化變形較小。

表1 鋪層方向?qū)S4/350L-6L形結(jié)構(gòu)固化過程的影響

2.2 鋪層厚度

表2為三種厚度L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對比?？梢姾穸茸兓瘜雍习宓姆逯禍囟?、樹脂分布以及固化回彈角均有一定影響。在不考慮模具作用時，固化回彈角和峰值溫度隨層合板厚度的增加而增加，拐角處樹脂含量隨厚度的增加而降低。厚度增加引起的峰值溫度升高增加了降溫過程中的熱載荷，回彈角增大。厚度增加提高了結(jié)構(gòu)的剛度，模具和樹脂分布不均等其他因素導(dǎo)致的變形相應(yīng)減小，回彈角隨之減小。

表2 厚度對AS4/350L-6L形結(jié)構(gòu)固化過程的影響

2.3 拐角半徑

表3為拐角半徑分別為5 mm和30.2 mm時L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對比?？梢姽战前霃阶兓瘜雍习宓姆逯禍囟葲]有影響，拐角部分樹脂含量和回彈角隨層合板拐角半徑增大而增加。兩種不同拐角半徑的拐角部分平均樹脂含量相差1%，回彈角相差0.06°拐角半徑變化對L形層合板固化變形影響較小。

表3 拐角半徑對AS4/350L-6L形結(jié)構(gòu)固化過程的影響

3 結(jié)構(gòu)各向異性影響

另一個引起形狀改變的重要因素是材料膨脹的各向異性或正交各向異性。

圖1 彎曲工件的固化變形

如圖1所示，一個對稱鋪層的彎曲工件，受溫差ΔT作用，工件的拐角從θ變?yōu)棣?Δθ。

Radford和Rennick給出對于此種工件的回彈變形角大小為:

式中，αI和αT分別為面內(nèi)和沿厚度方向的線膨脹系數(shù)，Δθ、θ和ΔT分別為回彈角、工件拐角和溫差。(1)式僅適用于材料特性是正交各向異性且在厚度方向上一致。(1)式中的回彈角僅僅依賴于溫差大小，但實際上成型過程的化學(xué)收縮效應(yīng)對回彈變形也有重要影響，考慮這種因素，(1)式擴展為:

式中，?I和?T分別為成型過程中沿面內(nèi)和厚度方向的收縮大小。一般來說，只考慮基體材料的收縮，纖維沒有收縮變形。

4 固化過程中的材料行為影響

固化過程中的材料行為可以通過樹脂固化來分析說明。樹脂固化前在室溫條件下通常是黏性的液體，由線性低聚物組成，此時的固化度可以被定義為0。隨著溫度升高，樹脂基體開始發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，同時基體的固化度和玻璃轉(zhuǎn)化溫度也逐漸升高，當(dāng)交聯(lián)反應(yīng)程度達到臨界值后，樹脂基體從液態(tài)變成橡膠態(tài)，當(dāng)固化反應(yīng)進行至最后階段時，基體材料從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，這個轉(zhuǎn)變過程也意味著材料特性的急劇轉(zhuǎn)變。如固化前材料的彈性和剪切模量僅為固化后的1%左右，而有些特性則變化不大，如體積模量和線膨脹系數(shù)。

固化反應(yīng)的另一個重要方面是固化過程中會釋放出熱量，可能由于材料溫度分布不均勻?qū)е驴赡艿臒崞茐默F(xiàn)象。通常對于薄壁結(jié)構(gòu)來說，這種現(xiàn)象并不明顯，對于厚壁結(jié)構(gòu)且模具的熱傳導(dǎo)性能較差時需要考慮固化放熱效應(yīng)。產(chǎn)生材料殘余應(yīng)力和變形的一個重要因素是固化溫度降至室溫過程中的熱收縮。對于絕大部分復(fù)合材料來說，纖維的線膨脹系數(shù)要小于基體，即纖維要承受壓應(yīng)力而基體承受拉應(yīng)力。對于層合板來說，熱應(yīng)力的分布更加復(fù)雜，在層合板內(nèi)不但存在纖維和基體之間的熱應(yīng)力，層與層之間也存在熱應(yīng)力。材料固化前的線膨脹系數(shù)大約為固化后的2-3倍，對于［0/90］鋪層方式的層合板來說，這種材料特性的變化，對于材料面內(nèi)的熱膨脹影響不大，對材料厚度方向的熱膨脹影響很大，會增加材料的自由膨脹的各向異性。樹脂固化前材料的殘余應(yīng)力很小，殘余應(yīng)力隨著固化反應(yīng)降溫逐漸增大，減小降溫速率，可以有效減小材料的殘余應(yīng)力，起到控制零件變形量的作用。

5 固化工藝影響

5.1 固化溫度

在實際的生產(chǎn)過程中，常采用提高固化溫度以加快固化反應(yīng)的方式來減少固化時間，通常來說殘余應(yīng)力和變形會隨著固化溫度的增加而增加，如果工藝方式選擇不當(dāng)，這種方式可能會直接導(dǎo)致較大殘余應(yīng)力和變形的產(chǎn)生。從凝膠溫度開始，聚合物基體從液態(tài)開始變?yōu)楣虘B(tài)，熱殘余應(yīng)力和變形的大小直接取決于該溫度和室溫之間的差值，在考慮樹脂本身的性能以及其他因素后，凝膠溫度應(yīng)該盡可能低。凝膠溫度過低，可能樹脂基體黏度過高而不能使得基體材料和纖維之間充分浸潤，凝膠溫度也必須保證聚合物基體交聯(lián)反應(yīng)開始。固化時的溫度分布對于較厚的層合板有重要影響，因為在厚度方向上的溫度分布不均勻，使材料的自由熱膨脹特性在空間分布上發(fā)生變化，固化度的不均勻會導(dǎo)致厚度方向上材料力學(xué)性能和化學(xué)收縮的不一致。

5.2 降溫速率

Sarrazin針對完全固化后的預(yù)浸料碳/環(huán)氧層合板采用兩種不同的降溫速率發(fā)現(xiàn)較低的降溫速率會減小變形量，郭兆璞等人通過計算模擬得到相同結(jié)論。如果采用后固化工藝，不同降溫速率的差別將會消失。由于降溫速率的降低會增加應(yīng)力松弛的效果，為了保證應(yīng)力松弛的效果必須保證足夠的時間。如果在固化反應(yīng)完成后快速降溫，很難消除殘余應(yīng)力。

5.3 固化壓力

表4為不同固化壓力時［0］50鋪層L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對比?？梢姽袒瘔毫形層合板的峰值溫度幾乎沒有影響，層合板的樹脂含量和回彈角隨固化壓力的增大而降低。這是因為隨著樹脂含量的降低，樹脂固化收縮引起的變形和層合板厚度方向的熱膨脹系數(shù)都隨之減小，故回彈角隨樹脂含量的降低而減小。所以固化壓力主要通過改變樹脂含量影響最終的回彈角。

表4 固化壓力對AS4/350L-6L形結(jié)構(gòu)固化過程的影響

6 結(jié)語

熱固性樹脂基復(fù)合材料固化過程中的固化溫度大小、降溫速率快慢等因素直接影響固化變形大小。鋪層方向引起的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化是回彈角差異較大的主要原因，鋪層方向引起的樹脂分布差異對回彈角變化影響較小。鋪層厚度對固化變形的影響需考慮其對峰值溫度和結(jié)構(gòu)剛度變化兩方面的綜合作用。固化壓力對峰值溫度的影響很小，主要通過改變樹脂分布和含量影響回彈角。拐角半徑的變化對固化變形的影響較小。結(jié)構(gòu)各向異性影響對固化變形也有一定影響。

［1］戴棣.復(fù)合材料固化變形.先進復(fù)合材料手冊(趙渠森主編)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003:1004-1018.

［2］郭兆璞，陳浩然，息志臣.復(fù)合材料層合板的固化殘余應(yīng)力和變形分析［J］.復(fù)合材料學(xué)報，1996，13(1):105-110.

［3］戴棣，喬新，劉善國.單曲面復(fù)合材料層合構(gòu)件的固化變形計算［J］.航空制造技術(shù)，1999(5):50-56.

［4］張紀(jì)奎，酈正能，關(guān)志東等.熱固性復(fù)合材料固化過程三維有限元模擬和變形預(yù)測［J］.復(fù)合材料科學(xué)報，2009，26(1):174 -178.

Study on Curing Deformation of Composite Parts

PAN Yongsheng
(Naval Military Representative Office in Harbin，Harbin，150066)

Thermosetting resin matrix composites in the autoclave molding process，due to the constraint of the mold，the workpiece will generate residual stress，and then cause the workpiece rebound deformation and warping deformation.In this paper，the influence of curing process and lay mode on the curing deformation is analyzed in the case of laminate.

thermosetting composites;curing deformation;residual stress

2016-05-29)

潘永生(1978-)，男，黑龍江人，在讀研究生，工程師。研究方向:直升機設(shè)計。E-mail:panys301@ sina.com.