鄧立偉 ，陳璐圓 ，陳新文 ，顧靈聰

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095；4.上海飛機制造有限公司，上海 200000）

0 引言

纖維增強樹脂基復合材料由于具有高的比強度、抗疲勞性能好及良好的可設計性等優(yōu)點，得到了廣泛應用[1-2]。復合材料零件成型時需要使用大量的工藝材料，這些材料在提供零件成型的工藝條件、保證最終零件的成型質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本等方面起著非常重要的作用[3]。因此，國外主要的民用飛機制造商都嚴格控制所使用的工藝材料。遺憾的是，國內(nèi)民機產(chǎn)業(yè)還沒有形成復合材料用工藝材料的選用標準。建立復合材料用工藝材料的評價方法，不僅能夠降低民機復合材料產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，還能拉動工藝材料向國產(chǎn)化邁進，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

在航空復合材料結(jié)構膠接工藝中，可剝布被廣泛用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的打磨工藝進行復合材料待膠接表面處理[4]。一方面，在運輸和儲存過程中可剝布能保護復合材料表面，防止表面污染和損傷。保證良好的膠接質(zhì)量[5]；另一方面，在復合材料零件膠接前撕掉表面的可剝布形成粗糙的表面，有利于復合材料零件的膠接，減少打磨和清洗工作，降低勞動量，縮短生產(chǎn)周期[6]。國外主要的可剝布供應商有Airtech、Cytec、Hekel 及Hexcel，國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品獲得民用航空領域的廣泛應用。在性能評價方面，國際上很多航空企業(yè)都對膠接用可剝布提出了性能要求，包括可剝布的物理、化學特性，以及制成的膠接試驗件的性能。目前，國外將斷裂強度作為評價可剝布剝離工藝性的重要指標，并作為可剝布選材的依據(jù)。然而，斷裂強度的高低和剝離工藝性的好壞沒有必然關系，和斷裂強度相比，采用剝離強度評價剝離工藝性更直觀、更準確。

本研究從可剝布剝離工藝性評價角度出發(fā)，利用浮輥法[7]評估將可剝布從層壓板表面剝離時的難易程度。分析剝離強度均值和剝離強度峰值的均值、剝離強度谷值的均值、平均剝離振幅之間的關系，提出可剝布剝離工藝性評價方法。

1 試驗部分

1.1 試樣

選用6種國外產(chǎn)可剝布、單向及織物碳纖維預浸料、單向及織物玻璃纖維織物預浸料，利用真空袋成型[8]工藝制備浮輥剝離試樣47 批，每批5 件試樣，試樣尺寸為230 mm×25 mm，名義厚度為2.5 mm。

1.2 試驗方案

目前，國外主要的膠粘劑剝離試驗標準如表1所示。其中，ASTM D903[9]為膠粘劑180°剝離阻抗試驗方法，該方法要求撓性材料彎曲180°時無嚴重的不可恢復的變形，且測試時往往會引入撓性材料間的摩擦力。ASTM D6862[10]為膠粘劑90°剝離阻抗試驗方法，該方法的缺點是制樣成本比較高。ASTM D3167[11]為膠粘劑浮輥剝離阻抗試驗方法，該方法能較好地再現(xiàn)可剝布的剝離過程，能獲得比其他剝離方法更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，且制樣容易。因此，參照ASTM D 3167 開展剝離試驗，試驗采用MTS CMT6104 試驗機，如圖1 所示。

表1 國外剝離試驗方法Table 1 Foreign peeling testing methods

圖1 可剝布浮輥剝離試驗Fig.1 Floating-roller peeling test of strippable cloth

2 結(jié)果與分析

2.1 表面特征

可剝布剝離后，層壓板表面十分平整[12]，且留下可剝布的紋理。通過試驗，發(fā)現(xiàn)不同批次試樣表面的可剝布剝離難易程度差別很大。圖2 中第1 件試樣的可剝布正常剝離，后3 件試樣的可剝布在測試過程中因剝離載荷過大而斷裂。在實際生產(chǎn)時，過高的剝離強度將會顯著降低工作效率。

圖2 浮輥剝離試樣Fig.2 Specimens after floating-roller peeling

2.2 典型載荷?位移曲線

典型的可剝布浮輥剝離試驗載荷?位移曲線如圖3 所示。試驗開始階段，載荷隨著位移增加而增大，達到臨界值后，載荷隨位移的增加上下波動，并趨于穩(wěn)定。

圖3 浮輥剝離典型載荷?位移曲線Fig.3 Relationship between load and displacement

2.3 剝離強度的統(tǒng)計結(jié)果

不同批次試樣的剝離強度均值差異很大，最小強度為0.124 kN/m，最大強度為1.670 kN/m，剝離強度均值大小與可剝布基材、可剝布浸潤樹脂、復合材料增強纖維和復合材料樹脂基體有關。試樣批內(nèi)剝離強度的離散系數(shù)最小為0.4%，最大為15.6%，有45 批試樣剝離強度的離散系數(shù)小于5.0%，表明試驗批次內(nèi)該數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。

2.4 可剝布剝離工藝性評價方法

在復合材料制備過程中，為了使用可剝布替代人工打磨，首先要評價可剝布的工藝性。為更加直觀地對數(shù)據(jù)進行討論，作如下定義：平均剝離振幅=剝離強度峰值的均值-剝離強度谷值的均值。利用一元線性回歸方程[13]擬合剝離強度均值和剝離強度峰值的均值、剝離強度谷值的均值、平均剝離振幅數(shù)據(jù)，得到3 條直線，如圖4所示。

圖4 剝離強度均值與剝離強度峰值的均值、剝離強度谷值的均值、平均剝離振幅之間線性相關Fig.4 Linear correlation between average peeling strength,mean value ofpeak peeling strength,mean value of valley peeling strength and mean value of peeling amplitude

剝離強度越低，則越容易將可剝布從層壓板上剝離；剝離振幅越小，則剝離過程受力越穩(wěn)定。因此，剝離強度越低、剝離振幅越小，工藝性越好。和國外采用斷裂強度相比，采用剝離強度評價可剝布剝離工藝性更直觀、更準確。但從圖4可知，剝離強度均值和剝離強度峰值的均值、剝離強度谷值的均值之間的線性相關性較好，其相關系數(shù)R2分別為0.991、0.994，因此，可以任選剝離強度均值、剝離強度峰值的均值和剝離強度谷值的均值之一作為主要指標評價剝離工藝性。對不同可剝布進行剝離工藝性對比時，應采用相同的評價指標?？紤]到剝離強度均值和平均剝離振幅之間的線性相關系數(shù)R2僅為0.782，故將平均剝離振幅作為評價剝離工藝性的次要指標，在主要指標相近及膠接性能滿足要求的情況下，優(yōu)先選擇平均剝離振幅小的可剝布。此外，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗和“等分”原則，根據(jù)剝離強度和剝離振幅不同，將可剝布剝離工藝性分為5個等級，級別越高，工藝性越好，如表2 所示。由于可剝布的剝離工藝性好壞直接影響制件的生產(chǎn)效率，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，建議選擇剝離工藝性等級為Ⅲ級及以上可剝布作為工藝輔料，不建議選擇Ⅰ級可剝布作為工藝輔料。

表2 可剝布剝離工藝性評價表Table 2 Evaluation table for mechanical properties of strippable cloth km·m?1

3 結(jié)論

1）剝離強度均值和剝離強度峰值的均值、剝離強度谷值的均值、平均剝離振幅之間呈線性相關，相關系數(shù)R2分別為0.991、0.994、0.782。

2）可以任選剝離強度均值、剝離強度峰值的均值和剝離強度谷值的均值之一，作為主要指標評價剝離工藝性，用平均剝離振幅作為次要指標來評價可剝布剝離工藝性。

3）根據(jù)剝離強度和剝離振幅不同，將可剝布剝離工藝性劃分為5個等級，為可剝布選材提供依據(jù)。