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        模具表面狀態(tài)對復(fù)合材料構(gòu)件固化變形的影響

        2019-03-01 00:44:00劉德博湛利華丁星星蔣成標(biāo)
        宇航材料工藝 2019年1期
        關(guān)鍵詞:脫模劑光柵光纖

        劉德博 湛利華 丁星星 蔣成標(biāo)

        (1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

        (2 中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室,長沙 410083)

        (3 中南大學(xué)機電工程學(xué)院,長沙 410083)

        (4 中南大學(xué)輕合金研究院,長沙 410083)

        文 摘 為查明不同模具表面狀態(tài)下的復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)變演變規(guī)律及其對固化變形的影響,采用熱電偶和光纖光柵傳感器對不同模具表面狀態(tài)下的復(fù)合材料構(gòu)件在熱壓罐成型工藝過程中的溫度和應(yīng)變進(jìn)行在線監(jiān)測,獲得不同模具表面狀態(tài)下構(gòu)件應(yīng)變的變化規(guī)律。結(jié)果表明:升溫階段脫模布的使用能夠有效屏蔽模具-構(gòu)件界面相互作用,使構(gòu)件在升溫階段的應(yīng)變很小。三層脫模劑模具表面條件下構(gòu)件中的應(yīng)變明顯小于一層脫模劑;降溫階段三種實驗條件下在構(gòu)件中都出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)變,其中一層脫模劑模具表面狀態(tài)下模具-構(gòu)件相互作用力最大,在固化工藝完成后構(gòu)件發(fā)生翹曲變形,且翹曲變形以沿纖維方向為主。

        0 引言

        先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料因其高強度、耐腐蝕和抗疲勞等特點在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3]。在熱固性樹脂基復(fù)合材料熱壓罐成型過程中,罐內(nèi)壓力會使構(gòu)件緊貼在模具上,當(dāng)溫度變化時,模具與構(gòu)件的自由熱膨脹或收縮會受到抑制,使得兩者之間產(chǎn)生相互作用[4]。復(fù)合材料構(gòu)件固化過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力在脫模釋放后引起構(gòu)件的回彈或翹曲,影響裝配甚至直接報廢。而在熱壓罐工藝中,金屬模具與復(fù)合材料構(gòu)件之間熱脹系數(shù)不匹配是引起構(gòu)件固化殘余應(yīng)力及變形的主要因素[5-7]。為了減小復(fù)合材料構(gòu)件的固化變形,需要對復(fù)合材料構(gòu)件在熱壓罐固化過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的機制有更進(jìn)一步的研究。

        KAUSHIK利用自制的實驗裝置模擬熱壓罐工藝環(huán)境,通過測量固化過程中模具與構(gòu)件之間的動態(tài)和靜態(tài)摩擦因數(shù)來研究模具-構(gòu)件相互作用,發(fā)現(xiàn)樹脂固化度和升溫速率影響模具-構(gòu)件相互作用、樹脂固化收縮、復(fù)合材料性能、殘余應(yīng)力和界面失效模式從而與界面摩擦因數(shù)形成一定的函數(shù)關(guān)系[8]。FERNLUND 通過實驗研究發(fā)現(xiàn)如果構(gòu)件沿著曲率方向上的鋪層數(shù)量占大多數(shù),改變另外的鋪層方式不會對回彈程度產(chǎn)生大的影響,此外固化周期、模具表面、預(yù)浸料種類和構(gòu)件鋪層都會顯著影響C 型件的回彈,并且L型件由模具與構(gòu)件熱脹系數(shù)不匹配引起的回彈遠(yuǎn)大于C 型件[9]。TWIGG 研究了固化工藝條件和平板件長寬比對模具-構(gòu)件相互作用引起的翹曲,發(fā)現(xiàn)相較于固化壓力,構(gòu)件的長寬比對翹曲的影響更大,而在不同模具表面狀態(tài)下成型后的構(gòu)件翹曲并無顯著區(qū)別,并且還給出了平板最大翹曲的計算公式[10]。岳廣全采用光纖光柵監(jiān)測了復(fù)合材料單向板固化過程中沿構(gòu)件厚度方向和面內(nèi)的應(yīng)變,發(fā)現(xiàn)構(gòu)件與模具熱膨脹系數(shù)不同引起的固化殘余應(yīng)變沿構(gòu)件厚度方向呈梯度分布,靠近模具端最大[11]。模具表面狀態(tài)對復(fù)合材料固化成型精度具有十分重要的意義,但是關(guān)于固化過程中不同模具表面狀態(tài)對復(fù)合材料固化過程中應(yīng)變影響的研究鮮有報道。

        本文對復(fù)合材料單向?qū)雍习逶跓釅汗薰袒に囍械臏囟群蛻?yīng)變進(jìn)行實時監(jiān)測,利用光纖光柵應(yīng)變傳感器直接獲得不同模具表面情況下復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變變化,并以此研究固化過程中不同模具表面狀態(tài)對模具-構(gòu)件相互作用的影響。

        1 實驗

        1.1 材料及設(shè)備

        以T700/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料作為原材料,將每層預(yù)浸料裁剪為200 mm×200 mm,整個構(gòu)件使用10 層預(yù)浸料單向鋪貼而成,成型模具為鋁制平板。熱壓罐最高使用溫度為250 ℃,最大工作壓力為2 MPa,最大升溫速率5 ℃/min,可用最大試件尺寸435 mm×350 mm×600 mm,由大連櫻田機械制造有限公司生產(chǎn)。光纖光柵解調(diào)儀型號為Zen Optics 960,適用波長范圍:1 525 ~1 565 nm,由上海真光信息科技有限公司生產(chǎn)。光纖光柵傳感器作為應(yīng)變傳感器,溫度靈敏系數(shù)為0.0095 nm/℃,應(yīng)變靈敏系數(shù)為0.0012 nm/με。

        1.2 實驗原理[12-17]

        光纖光柵傳感器的纖芯折射率在軸向發(fā)生周期性調(diào)制,根據(jù)模耦合理論,中心反射波長的特征方程為:

        由于光纖光柵對溫度和應(yīng)變均敏感,對單獨一個光纖光柵傳感器的溫度與應(yīng)變共同造成的波長漂移無法區(qū)分,為了解決光纖光柵溫度和應(yīng)變交叉敏感的問題,使用熱電偶對光纖光柵傳感器進(jìn)行溫度補償。這兩個傳感器位置接近,可以認(rèn)為處于相同的溫度場中,即兩者的溫度歷程相同,因此可通過公式(2)剔除波長變化中溫度的影響,得到監(jiān)測點處的應(yīng)變:

        式中,Δε 和ΔT 分別是光柵應(yīng)變變化量和溫度變化量,Δλ 為光柵的波長漂移量,Kε和KT分別為光柵的應(yīng)變靈敏系數(shù)和溫度靈敏系數(shù)。

        1.3 實驗方法

        為了更好地監(jiān)測不同模具表面狀態(tài)對構(gòu)件應(yīng)變的影響,將光纖光柵應(yīng)變傳感器布置于第一層與第二層預(yù)浸料之間,其中第一層預(yù)浸料與模具接觸,如圖1所示,光纖與碳纖維平行。圖2為熱電偶和光纖光柵傳感器在預(yù)浸料中的鋪放位置示意圖。

        圖1 復(fù)合材料構(gòu)件中光纖光柵位置圖Fig.1 Location of FBG in composite part

        圖2 傳感器鋪放位置圖Fig.2 Locations of the sensors

        由于熱電偶直徑很小,僅為0.3 mm,并且在同一平面內(nèi)構(gòu)件中的溫度場基本上是均勻的,因此熱電偶能獲得應(yīng)變監(jiān)測點處的溫度曲線,同時不會影響光纖光柵監(jiān)測點附近的應(yīng)變變化。

        固化工藝如圖3所示。設(shè)計了三種不同的模具表面狀態(tài),其中第一組和第二組實驗中分別在模具表面涂覆一層和三層脫模劑,利用毛氈蘸取脫模劑,并通過手工涂覆的方式來施加于模具表面,脫模劑涂覆方法為:從模具一邊向另一邊以方向不可逆方式涂覆,每層脫模劑涂覆次數(shù)為2,涂覆時力求脫模劑均勻。每層脫模劑的時間間隔為15 min[環(huán)境要求:溫度(25±1)℃,濕度50%±10%]。利用橢偏儀對脫模劑厚度進(jìn)行了測量。

        圖3 熱壓罐工藝曲線Fig.3 Curves of temperature and pressure in autoclave

        結(jié)果發(fā)現(xiàn):“一層”和“三層”脫模劑厚度分別為8.078 μm 和27.579 μm。為便于敘述,后文用“一層”和“三層”來描述模具表面狀態(tài)。第三組實驗在模具表面覆蓋一層脫模布,材質(zhì)為氟乙烯丙烯共聚物(FEP)。

        2 結(jié)果與討論

        圖4為構(gòu)件溫度與熱壓罐罐內(nèi)溫度變化曲線,由于存在熱交換過程,構(gòu)件溫度和罐內(nèi)溫度相比稍有滯后,整體上兩條曲線保持相當(dāng)?shù)囊恢滦?。圖5為三種模具表面狀態(tài)下復(fù)合材料構(gòu)件固化過程中溫度變化曲線,由圖5可知,三次試驗中復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部溫度歷程基本一致,由此可知:模具表面狀態(tài)的改變對構(gòu)件溫度的變化影響很小。

        圖6為三種模具表面狀態(tài)下復(fù)合材料單向板在沿纖維方向上的應(yīng)變演變曲線。在第一個升溫/保溫階段時樹脂處于粘流態(tài),模具以及其材料特性對制件固化應(yīng)變的影響很小,而樹脂流動是構(gòu)件固化過程應(yīng)變增大的主要因素,此時單向板沿纖維方向上主要為拉應(yīng)變;第二個升溫階段時樹脂處于橡膠態(tài),樹脂基體熱膨脹導(dǎo)致拉應(yīng)變增大;第二個保溫階段初期,劇烈的交聯(lián)反應(yīng)使樹脂基體收縮,應(yīng)變有所降低,隨后保持穩(wěn)定;降溫階段,隨著溫度的降低,樹脂基體收縮,三種實驗條件下的應(yīng)變均隨溫度降低而減小,并轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)變。復(fù)合材料層合板應(yīng)變主要是由樹脂流動、固化收縮及模具-構(gòu)件相互作用引起,并主要形成于固化過程降溫階段[18]。三種實驗條件下的應(yīng)變曲線差異說明改變模具表面狀態(tài)會影響模具與構(gòu)件之間的相互作用,從而使構(gòu)件產(chǎn)生不同大小的固化變形。

        圖4 構(gòu)件溫度與罐內(nèi)溫度變化Fig.4 Curves of temperature of autoclave and part

        圖5 不同模具表面條件下構(gòu)件溫度曲線Fig.5 Curves of temperature of part in different condition

        圖6 三種模具表面狀態(tài)下應(yīng)變曲線Fig.6 Curves of strain in three kinds of tool surface condition

        從圖6可知,第一個升溫階段初期,在罐內(nèi)壓力和樹脂流動雙重作用下,制件中的應(yīng)變產(chǎn)生了一個下凹的波谷,這主要是由于固化初期在罐內(nèi)壓力作用下,復(fù)合材料構(gòu)件會被壓實,并導(dǎo)致傳感器受壓,而后隨著構(gòu)件溫度逐漸升高,樹脂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài),黏度逐漸降低、流動性增大,由于樹脂流動和傳力性能減弱,使得光纖光柵傳感器逐漸由受壓狀態(tài)恢復(fù)正常,在監(jiān)測結(jié)果上表現(xiàn)為壓應(yīng)變逐漸減小。當(dāng)工藝溫度達(dá)到80 ℃進(jìn)入第一個保溫階段時,樹脂已經(jīng)過了凝膠點,具備了一定的應(yīng)力傳遞能力[4],在模具與構(gòu)件因熱脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的相互作用影響下,接觸模具的構(gòu)件部分會出現(xiàn)拉應(yīng)變,但模具表面狀態(tài)為一層脫模劑的構(gòu)件應(yīng)變明顯比三層脫模劑模具表面狀態(tài)下的構(gòu)件應(yīng)變要大,形成這種差別主要是模具-構(gòu)件相互作用是通過兩者之間的剪切應(yīng)力來實現(xiàn)的,而兩者所能傳遞的剪切應(yīng)力會受到模具表面粗糙度和模具與構(gòu)件之間摩擦因數(shù)的影響[19]。相較于一層脫模劑,三層脫模劑能夠形成更厚的界面,改善模具表面粗糙度,降低模具與構(gòu)件之間的摩擦因數(shù),減小兩者之間的剪切應(yīng)力,使得在升溫過程中由模具與構(gòu)件熱膨脹不同引起的構(gòu)件應(yīng)變變化較小。而模具表面狀態(tài)為脫模布時,構(gòu)件中監(jiān)測到的應(yīng)變幾乎為零,說明脫模布能夠有效隔絕模具與構(gòu)件之間的剪切作用,屏蔽模具-構(gòu)件相互作用,因此當(dāng)溫度保持穩(wěn)定后,這三種情況下構(gòu)件應(yīng)變大小存在明顯梯度,并隨著模具-構(gòu)件相互作用的減弱而減小,如圖7所示。

        圖7 兩次保溫階段不同模具表面狀態(tài)下的應(yīng)變值Fig.7 Strain values in two isothermal hold stages under different tool surface conditions

        在第二個升溫階段,對模具-構(gòu)件相互作用減弱較小的一層脫模劑模具表面狀態(tài)下的應(yīng)變增幅最大,并且其增長速率也最大,而脫模布模具表面狀態(tài)下的增幅最小。并且當(dāng)溫度上升到固化溫度附近時,構(gòu)件中產(chǎn)生劇烈的固化反應(yīng),樹脂大量放熱并且產(chǎn)生固化收縮[20],從而在三個實驗中應(yīng)變曲線均產(chǎn)生了一個波峰。隨著固化工藝進(jìn)入第二個保溫階段,三種模具表面狀態(tài)下構(gòu)件應(yīng)變出現(xiàn)了和第一次保溫階段相似的梯度。三組實驗條件下的應(yīng)變數(shù)值相較于第一個保溫階段均有一定的增大,其中一層脫模劑模具表面條件下的應(yīng)變增幅最大,這也與前述的應(yīng)變變化機制分析相同:一層脫模劑模具表面條件對模具與構(gòu)件之間的相互作用減弱效果最小,從而其模具與構(gòu)件剪切應(yīng)力在三種模具表面條件中是最大的,因此構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)變也是最大的。

        隨著第二個保溫階段的結(jié)束,固化工藝進(jìn)入降溫階段,此時三種模具表面狀態(tài)下獲得的構(gòu)件應(yīng)變曲線均隨溫度的降低而不斷減小,并且應(yīng)變變化速率比升溫階段要大,由于在降溫時,樹脂已固化完全,構(gòu)件中的應(yīng)變變化主要是由模具與構(gòu)件熱脹系數(shù)不匹配引起的,說明在整個固化過程中,三種實驗條件下的模具-構(gòu)件相互作用均在降溫階段達(dá)到最大。這是由于樹脂固化完成使構(gòu)件與模具之間由滑動摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰訝顟B(tài),兩者之間所能傳遞的最大剪切應(yīng)力顯著增大,從而使應(yīng)變隨溫度降低而迅速變化,并且從圖6中可以看到,脫模布模具表面狀態(tài)下構(gòu)件應(yīng)變降幅也迅速下降,表明樹脂的固化顯著增強模具—構(gòu)件相互作用,脫模布也只能部分減小模具熱收縮對構(gòu)件應(yīng)變的影響。在降溫結(jié)束后,三個實驗中構(gòu)件中的應(yīng)變均大幅變化,并且由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變,整個降溫過程中三條曲線的應(yīng)變降幅依然呈現(xiàn)出相似的梯度(圖6)。說明模具表面狀態(tài)不僅影響未完全固化構(gòu)件中的應(yīng)變變化,在固化完成后的降溫階段,其對構(gòu)件中的應(yīng)變變化依然有較大影響。固化結(jié)束后三種模具表面狀態(tài)下構(gòu)件的變形如圖8所示,圖中構(gòu)件并未從模具上拆除。

        圖8 三種模具表面狀態(tài)下固化成型的構(gòu)件Fig.8 Cured part of three tool surface condition

        從圖8(a)中可以明顯看出,一層脫模劑條件下的構(gòu)件沿纖維方向發(fā)生明顯翹曲,說明在此實驗條件下,模具與構(gòu)件之間的相互作用非常強烈。而從圖8(b)可以看出三層脫模劑模具表面狀態(tài)下的構(gòu)件并未發(fā)生明顯變形,說明脫模劑的涂刷次數(shù)能夠有效減小模具-構(gòu)件相互作用,改善構(gòu)件變形。當(dāng)模具表面狀態(tài)為脫模布時,如圖8(c)所示,模具與構(gòu)件在邊緣發(fā)生了分離,表明外界壓力撤除后,在此條件下的模具-構(gòu)件相互作用非常小,不能維持模具與構(gòu)件的界面結(jié)合從而發(fā)生分離,這與前述獲得的不同模具表面狀態(tài)對模具-構(gòu)件相互作用應(yīng)變的影響一致。

        3 結(jié)論

        (1)在升溫階段,鋪放脫模布能夠有效屏蔽模具-構(gòu)件界面相互作用,使構(gòu)件在升溫階段的應(yīng)變很小,而當(dāng)樹脂完全固化,固化工藝進(jìn)入降溫階段后,脫模布的屏蔽作用減弱,構(gòu)件會因模具與構(gòu)件熱脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生壓應(yīng)變。

        (2)脫模劑的層數(shù)會影響模具-構(gòu)件相互作用,三層脫模劑模具表面條件下構(gòu)件中的應(yīng)變要明顯小于一層脫模劑表面條件下構(gòu)件中的應(yīng)變。

        (3)殘余應(yīng)變主要產(chǎn)生于降溫階段,樹脂的固化使模具與構(gòu)件界面作用加強,能傳遞更大的剪切應(yīng)力,并且一層脫模劑模具表面狀態(tài)下模具與構(gòu)件之間的相互作用最大,在固化工藝進(jìn)程結(jié)束后,構(gòu)件發(fā)生明顯的翹曲變形,翹曲變形以沿纖維方向為主。

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