吳 波，平麗浩，方 芳

(1. 中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司, 安徽 蕪湖 241000; 2. 南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

與傳統大型金屬材料構件相比，大型復合材料構件能夠顯著減輕結構重量，提高結構利用率，減少零件數量，降低裝配和使用成本，因而在航空航天領域得到廣泛應用。但在原材料、工藝等多個因素的綜合影響下，大型復合材料構件在固化成型過程中容易發(fā)生翹曲變形，影響產品的裝配和使用，因此如何控制這種變形顯得尤為重要[1-2]。

為了掌握大型復合材料構件精度控制技術，國內外學者已經建立了較為完善的理論基礎，但在實際的工程實踐應用中，還缺少系統、有效且穩(wěn)定的控制大型復合材料構件變形的工藝方法。為掌握大型復合材料構件研制技術，本文在國內外理論研究基礎上，從鋪層設計、模具材料、固化過程熱場、固化壓力等方面，系統分析了變形的內在原因，并給出了控制大型復合材料構件變形的工藝方案。

1 大型復合材料構件變形的原因

1.1 鋪層設計分析

各向異性是復合材料最大的特征，便于復合材料根據需要進行靈活設計。纖維材料在不同方向的線性膨脹系數不同，若鋪層設計不合理，則復合材料構件在不同方向的尺寸變化也不同，宏觀上表現為構件的翹曲變形。

1.2 模具材料分析

在復合材料構件成型過程中，模具起到承載、維形及約束構件的作用。一般來說，復合材料熱膨脹系數小，其尺寸基本不隨溫度變化而改變。這就對模具提出了同樣的熱穩(wěn)定要求。若模具工裝熱膨脹系數大，那么在加熱、加壓過程中，由于模具與復合材料構件尺寸變化不同步，特別是樹脂基體到達凝膠點以后，構件貼模面隨模具熱膨脹尺寸變化大，產生較大剪切力，而遠離模具的復合材料層尺寸變化小，剪切力也隨之減小，因此在復合材料構件內部形成梯度剪切力，在構件固化脫模后，內應力導致復合材料構件發(fā)生明顯變形，如圖1所示[3-4]。

圖1 模具線性膨脹系數對復合材料構件變形的影響示意圖

1.3 固化過程熱場分析

固化的過程是復合材料受熱收縮硬化的過程。固化過程中構件的熱場分為外熱場和內熱場。大型復合材料構件在熱壓罐或烘房中受熱固化時，處于外部加熱環(huán)境中。如果構件不同位置經受的溫度不同，則不同位置的固化速率及固化度也不同，固化收縮的速度也隨之不同，宏觀表現為翹曲變形。而在構件內部存在內熱場，復合材料構件多為夾層結構或層壓板結構，由于復合材料導熱性較差，難以保證復合材料構件內部不同深度的溫度一致，從而在構件不同厚度位置形成明顯的溫度梯度，導致接近蒙皮的位置先固化，而芯層部分后固化。內外固化時間、溫度及速度的不同，導致內外固化狀態(tài)不同，造成構件變形。圖2給出了2 cm厚復合材料構件固化過程中不同厚度處的溫度曲線。與廠家所給的固化工藝(MRC)相比，不同厚度處溫度有所不同，體現出復合材料構件厚度梯度溫度場。

圖2 2 cm厚復合材料構件固化過程中不同厚度處的溫度曲線[5]

1.4 固化過程的壓力分析[1]

壓力大小可以直接影響復合材料構件的厚度。固化壓力可以通過改變樹脂含量以及樹脂分布來影響復合材料構件的固化變形。

2 大型復合材料構件變形控制解決方案

2.1 鋪層設計

在大型復合材料構件鋪層過程中，需根據產品結構特點采用合適的角度順序，以保證不同方向纖維布的性質相同，防止因復合材料各向異性，受熱后不同方向的尺寸變化形成差異，從而造成固化后構件變形。同時，鋪層過程還需注意以下方面：

1)纖維布可按鋪層需要進行裁剪，但必須按要求搭接，以避免搭接縫重疊；

2)在模具拐角處不易鋪層的位置，考慮進行加捻填料處理；

3)使用前對泡沫夾芯的4條邊進行倒角處理，以避免纖維布和泡沫芯材間隙大導致的氣泡等缺陷的產生。

2.2 模具材料優(yōu)選

金屬材料的熱膨脹系數一般遠大于復合材料。研究表明，復合材料層壓板的熱膨脹系數在合理鋪層設計條件下可以接近零膨脹[6]。為解決加熱固化過程中金屬模具與復合材料構件因熱膨脹系數差異大產生剪切力造成的構件變形問題，可以選用同質、高強度、耐溫的復合材料制造模具，以保證模具和構件具有相同的熱膨脹系數，即基本接近于零膨脹，從而消除固化過程中構件的內應力，避免脫模后變形。

2.3 固化過程熱場控制

如何控制大型復合材料構件內外熱場的均勻性是有效控制構件產生內應力造成構件變形的關鍵因素。要保證溫度場的均勻性，首先應根據大型構件的結構特點選擇合適的高精度、高質量熱壓罐或烘房，采用電加熱的烘房的溫度控制一般優(yōu)于采用燃氣加熱的烘房。構件在烘房擺放時應注意烘房加熱及熱空氣循環(huán)方式，避免熱空氣直接吹到構件上，防止因構件遮擋，迎風面與背風面溫度不一致產生內應力，從而使構件變形。在構件固化過程中，可以將熱電偶粘貼到構件的外表面和內表面進行實時監(jiān)控。當溫度差異較大時，停止加熱或調整構件擺放位置，以縮小不同位置的溫度差異。

對于內熱場，由于碳纖維復合材料由單層纖維布通過樹脂層壓而成，樹脂導熱性差，因此復合材料構件在層間的導熱性尤其差，熱量由外熱場傳導到蒙皮再到芯部需要一定時間，可采取降低升溫速率并增加保溫時間的措施，給予熱量傳導足夠的時間。

2.4 壓力控制及維形工裝使用

在鋪層過程中要防止架橋、皺褶等情況的發(fā)生。鋪層結束后，需對真空袋及其他輔料進行檢查，避免漏氣情況發(fā)生，從而保證構件各個位置均勻受力。

對于脫模后需要二次固化的大型復合材料構件，在二次固化過程中，構件已經脫離模具在外形上的約束。由于樹脂材料在首次固化后未達到完全固化，在二次固化過程中材料會首先出現軟化，受熱不均或者在重力作用下，大型構件容易出現變形現象。對于此類構件，需設計必要的維形工裝，約束大型構件在固化過程中可能產生的變形。

3 應用驗證

為驗證方案的可靠性，將變形控制方案應用到某大型全復合材料機身的研制過程中。機身為薄殼夾層結構，長度達8 m，剖面為漸變圓截面，成型難度大。在成型過程中，首先對鋪層層數及角度進行合理設計，同時嚴格控制單層預浸料的膠含量，經隨機檢測，每平方米的膠含量均控制在(125 ± 2)g范圍內。在曲率大的拐角處，使用混有長纖維絲的膠粘劑進行填充。模具材料選用與機身材料相同的碳纖維復合材料，為保證模具剛性，除控制模具鋪層厚度和方向外，還在模具底部合理使用金屬框架進行增強。

機身固化分2段進行，且后固化過程采用5段階梯式升降溫成型工藝，后固化溫度曲線如圖3所示。圖3中的緩慢分階段升溫工藝可以有效保證機身內外溫度場的溫度均勻性。在后固化過程中，全程合理使用維形工裝對機身進行維形。結果表明，研制的大尺寸機身厚度均勻，尺寸一致性好，脫模后與模具復模性好，目前已順利完成后續(xù)總裝裝配并投入使用。圖4為已完成噴漆的大尺寸全復合材料機身。

圖3 全復合材料機身后固化溫度曲線

圖4 已完成噴漆的大尺寸全復合材料機身

4 結束語

對于大型復合材料結構件，必須從其結構入手，認真分析影響其尺寸穩(wěn)定性的因素。尤其是要從鋪層設計、模具材料優(yōu)選、固化成型溫度場控制及壓力控制等方面入手，通過合理的鋪層設計、同質模具工裝研制、多階段高精度升降溫固化成型及精確的壓力控制等手段，建立起通用性強、效果好的大型復合材料構件變形控制方法。

[1] 鄭錫濤, 劉振東, 梁晶. 大型復合材料構件固化變形分析方法研究進展[J]. 航空制造技術, 2015(14): 32-35.

[2] 龐杰. 復合材料結構固化變形分析及其控制[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2010.

[3] 李盼. 纖維/樹脂復合材料的模內熱固化成型及脫模變形的研究[D]. 濟南: 山東大學, 2014.

[4] FERNLUND G, RAHMAN N, COURDJI R. Experimental and numerical study of the effect of cure cycle, tool surface, geometry and lay-up on dimensional fidelity of autoclave-processed composite parts[J]. Composites: Part A, 2002(33): 341-351.

[5] 郭戰(zhàn)勝, 杜善義, 張博明, 等. 厚截面樹脂基復合材料的溫度場研究Ⅰ: 模擬[J]. 復合材料學報, 2004, 21(5): 122-127.

[6] 石榮榮, 于佳, 佟麗莉. 復合材料熱膨脹系數計算方法的研究[C]//第十五屆全國復合材料學術會議論文集, 2008: 983-985.