朱 苗 劉 剛 黨 婧

（1 中航西飛民用飛機有限責任公司，西安 710089）

（2 中航工業(yè)第一飛機設計研究院，西安 710089）

0 引言

新一代的民用飛機主承力結構（中央翼盒、機身和尾翼等）采用了增韌型樹脂基碳纖維復合材料。目前國外民機復合材料按照應用部位分為:一是高韌性環(huán)氧中模碳纖維復合材料，主要用于中央翼盒、機身等；二是增韌型或韌性一般的標模環(huán)氧碳纖維復合材料，主要用于在襟副翼、方向舵、升降舵等[1]。相對而言，國內(nèi)大部分飛機上復合材料雖達到了國外同類材料的技術水平，但其原材料成本明顯偏高（國外碳纖維價格約為國內(nèi)的7.5%～15%，國外預浸料價格約為國內(nèi)的（1/3～1/4），且處于工程化應用研究的前期階段，主要用于軍機。因此，不管是從性能、成本以及適航驗證等角度，國內(nèi)復合材料還遠不能滿足民機設計要求。綜上所述，結合某型民用飛機對于沖擊后壓縮破壞應變3 500 με 的目標設計要求，某型民用飛機尾翼盒段擬選用了一定比例的高溫固化增韌型標模碳纖維復合材料，其雖然在國外民機上有一定的工程應用經(jīng)驗，但國內(nèi)相關設計資料和信息較少。因此，本文主要針對高溫固化增韌型標模碳纖維復合材料開展了材料性能研究，以獲取并積累必要的材料性能數(shù)據(jù)，確定其是否能滿足尾翼盒段的設計及使用要求，為復合材料制件的工藝和制造提供支持，也為該類材料后續(xù)擴大化應用的可能性提供一定的基礎。

1 試驗

1.1 試驗材料

本次性能研究采用了兩組各3 個不同批次的高溫固化環(huán)氧增韌標模碳纖維預浸料，其中，至少包含了兩個不同的纖維批次和兩個不同的樹脂批次（表1）。

表1 高溫固化環(huán)氧增韌標模碳纖維單向帶預浸料Tab.1 High temperature cured epoxy resin impregnated carbon fiber tape prepreg

1.2 固化工藝

本次復合材料層壓板均采用熱壓罐工藝固化，主要固化參數(shù)為:（1）抽真空0.08 MPa 以上；（2）罐壓滿壓:（CYCOM977-2 樹脂體系）或（0.7±0.035）MPa（M21 樹脂體系）；（3）升溫至（180±5）℃保溫至少120 min；（4）降溫至60℃以下卸壓出罐。

1.3 性能測試

本文樹脂含量采用ASTM D 3529 標準進行測試，碳纖維面密度采用ASTM D 3529 標準進行測試，揮發(fā)分含量采用ASTM D 3530 標準進行測試，樹脂流動度采用ASTM D 3531 標準進行測試，凝膠時間采用ASTM D 3532 標準進行測試，孔隙率采用ASTM D 2734 標準進行測試、纖維體積分數(shù)采用ASTM D 3171標準進行測試，干態(tài)/濕態(tài)（Tg）采用ASTM D 7028 標準進行測試，0°/90°拉伸強度采用ASTM D 3039 標準進行測試，0°/90°壓縮強度采用ASTM D 6641 標準進行測試，縱橫剪切強度采用ASTM D 3518 標準進行測試，0°層間剪切強度采用ASTM D 2344 標準進行測試，而且層壓板力學性能分別在三種不同環(huán)境下（-55℃/干態(tài)、24℃/干態(tài)、132℃/濕態(tài)）進行測試，其中，濕態(tài)處理條件為（71±5）℃水中浸泡14 d。

2 結果與分析

2.1 預浸料物理性能

從兩組預浸料（表1）物理性能的結果來看，其中，兩組預浸料的樹脂含量比較接近，平均值基本在34%～35%之間，碳纖維面密度也比較接近，平均值約為136 g/m2，分散性均很小，這可保證其復合材料纖維體積分數(shù)和力學性能的穩(wěn)定性；M21 樹脂和CYCOM977-2 樹脂的揮發(fā)分含量均很小，平均值約＜0.8%，進而減少了復合材料的內(nèi)部空隙，提高其復合材料的力學性能和濕熱性能；CYCOM977-2 樹脂流動度平均值為18%，而M21 樹脂流動度為13%，兩組樹脂流動度適當，流動度與樹脂的黏度和預浸料中樹脂含量有關，流動度適當表明了樹脂含量和樹脂黏度適中，保證了在固化過程中樹脂在纖維中及層與層間的均勻滲透，進而保證了其復材的性能；兩組預浸料的凝膠時間平均值約在7～10 min 以內(nèi)，凝膠時間長短適中，以利于復材形成和提高生產(chǎn)效率。揮發(fā)分、流動度和凝膠時間三個參數(shù)均反映出預浸料工藝性良好，以支持零件的工藝和制造。

2.2 層合板物理性能

文獻[2-3]表明引起材料力學性能下降的臨界孔隙率是1%～4%，在常溫下，當孔隙率小于0.9%時，復合材料的力學性能受孔隙率的影響非常小，幾乎可以忽略。因此，從測試結果來看，CYCOM977-2體系復合材料的孔隙率非常低，平均值為0.07%，對力學性能的影響可以忽略，M21 體系復合材料的孔隙率平均值為1.35%。

纖維體積分數(shù)也在很大程度上決定了復合材料的力學性能，纖維體積分數(shù)過低會導致復合材料力學性能的降低，過高則有會造成纖維不能被樹脂基體充分浸潤，同樣也會造成復合材料力學性能降低，該兩組材料的纖維體積含量平均值基本在58%～59%左右，基本符合熱壓罐工藝制備的復合材料的一般結果和規(guī)律。

對于干態(tài)Tg，M21 體系復合材料平均值約為193℃，CYCOM977-2 體系復合材料平均值約為170℃；而對于濕態(tài)Tg，M21 體系復合材料平均值約為166℃，CYCOM977-2 體系復合材料平均值約為141℃。前后對比，可以發(fā)現(xiàn):濕熱處理對該兩組復合材料的Tg影響十分明顯，濕熱處理后，材料的Tg下降了25～33℃，這是因為濕熱條件下，水分容易進入樹脂的交聯(lián)網(wǎng)絡以及樹脂與纖維的界面，形成了增塑作用。再對比兩組材料的干態(tài)和濕態(tài)Tg，M21 樹脂體系的玻璃化轉變溫度普遍比CYCOM977-2 高，耐溫性更好。

2.3 層合板基本力學及濕熱性能

利用混合法則，纖維轉化率可根據(jù)復合材料的理論拉伸強度值與實際復合材料的0°拉伸強度的比值獲得，而復合材料界面結合強弱可用纖維轉化率進行評價。纖維轉化率η 按公式（1）[4]:

式中，σc為實際復合材料的0°拉伸強度；σf為碳纖維拉伸強度；Vf為纖維體積分數(shù)。

在室溫干態(tài)下，將表1碳纖維拉伸強度和兩種復合材料纖維體積分數(shù)，以及表2中復合材料實際0°拉伸強度代入公式（1）可以計算出:CYCOM977-2 體系復合材料纖維轉化率為76.72%，M21 體系復合材料纖維轉化率為77.2%，該兩組材料轉化率比較高，且基本一致。因此，該兩組材料的界面粘結均比較好，沒有達到理論的100%，可能與層壓板成型工藝，樹脂基體，纖維斷裂伸長率等有關。

通常對于單向層合板，對基體和界面性能起主導作用的力學性能有0°壓縮強度、90°拉伸強度和層間剪切強度，界面性能的良好與否對復合材料的耐濕熱性能會產(chǎn)生很大影響[4]。而且，溫度和濕度是影響復合材料力學性能的兩個重要環(huán)境因素，溫度的升高既會加劇復合材料的吸濕，又會造成復合材料的熱降解或老化，并且吸水后會使樹脂基體塑性變化，進而更加弱化基體和纖維之間的界面[4]。

從表2中三種環(huán)境下的力學性能比較可以發(fā)現(xiàn):與24℃/干態(tài)相比:在-55℃/干態(tài)時，該兩組復合材料的0°壓縮強度、90°拉伸強度、層間剪切強度的保持率均比較高，這說明了低溫對該兩組復合材料性能影響很小，在低溫下該兩組復合材料有優(yōu)良的界面性能；在132℃/濕態(tài)時，CYCOM977-2 體系復合材料0°壓縮強度、90°拉伸強度、層間剪切強度的保持率分別為60.61%、36.46%、50.34%，M21 體系復合材料0°壓縮強度、90°拉伸強度、層間剪切強度的保持率分別為80.56%、74.76%、54.58%，M21 體系復合材料的保持率仍比較高，耐濕熱性能良好，相較而言，而CYCOM977-2 體系復合材料的保持率較好，但濕熱狀態(tài)下，其90°拉伸強度明顯下降，這可能是由于CYCOM977-2 體系復合材料吸水后產(chǎn)生塑化或溶脹，進而對該基體樹脂的耐濕熱性能造成影響，并且90°拉伸強度主要受樹脂基體和纖維增強體界面結合性能的影響，在濕熱狀態(tài)下，CYCOM977-2 體系復合材料在132℃/濕態(tài)下仍能達到37%的保持率，因此，其界面性能及耐濕熱性能較好，但整體不如M21 體系復合材料好。

表2 三種不同環(huán)境下高溫固化環(huán)氧增韌標模碳纖維單向帶層合板的基本力學性能Tab.2 Main mechanical properties of high temperature cured epoxy resin impregnated carbon fiber tape composite in three different environment

2.4 B 基準值

本文研究的該兩組復合材料在國外民用飛機型號上主要應用于襟副翼等次承力構件，而作為尾翼主承力構件系首次應用。由于復合材料的可設計性，通過鋪層設計可以實現(xiàn)同一種材料在不同結構部位的應用。

按照文獻[5]中第25.603 條材料，對于采用的材料需建立在經(jīng)驗或試驗的基礎上，要考慮濕度和溫度環(huán)境的影響，并且材料的強度性能必須以足夠的材料試驗為依據(jù)，制定設計值（材料B 基準值、設計許用值等）等等。本次的兩種材料經(jīng)驗積累比較少，因此采用一定的試驗進行性能研究，在獲取的該兩組復合材料基本性能數(shù)據(jù)的基礎上，根據(jù)文獻[6-7]，B基準值是建立在統(tǒng)計基礎上的材料性能，根據(jù)概率基準由層合板的試驗數(shù)據(jù)確定，是對指定母體中90%較高值的95%下容許限；基準值的大小與獲得的數(shù)據(jù)量、所代表的批次數(shù)以及各批次間生產(chǎn)一致性相關，并考慮纖維批數(shù)和樹脂批數(shù)。若要計算B 基準值，需覆蓋不同環(huán)境條件的30 個數(shù)據(jù)點，每批應盡可能在不同環(huán)境條件下均勻分布，并且在每一研究狀態(tài)下至少3 批。因此本次性能研究要求每一環(huán)境條件下每一批至少保證6 個有效數(shù)據(jù)，進而統(tǒng)計并計算出該兩種層合板的B 基準值，具體見表3。以表3中結果作為強度有限元計算和結構設計輸入，結合平尾盒段和垂尾盒段實際承載情況，開展了典型結構設計及強度校核，評估結果表明:該兩組復合材料基本均能滿足某型民機尾翼盒段設計和使用要求，其中，CYCOM 977-2-35-12KHTS-134 主要用于垂尾盒段的梁和壁板及普通肋部位，M21/34%/UD134/AS7-12K主要用于平尾盒段的梁、壁板及普通肋部位。

表3 高溫固化環(huán)氧增韌標模碳纖維單向帶復合材料的B 基準值Tab.3 B basis of high temperature cured epoxy resin impregnated carbon fiber tape composite

3 結論

（1）兩組預浸料的物理性能良好，揮發(fā)份小，流動度適當，以及凝膠時間適中，進而保證了復合材料的工藝、物理和力學性能的穩(wěn)定性；

（2）兩組復合材料的干/濕態(tài)Tg變化規(guī)律與兩組復合材料力學性能受溫濕度影響的規(guī)律基本一致，這主要是受樹脂基體產(chǎn)生一定塑化的影響，但總體來說，其耐濕熱性能和界面粘合性能均比較好，其中，M21 體系樹脂更好一些；

（3）從兩組復合材料的力學性能結果來看，M21體系復合材料的綜合力學性能稍優(yōu)于CYCOM 977-2體系復合材料，進而也表明了AS7 纖維性能稍優(yōu)于HTS 纖維，另外對比孔隙率結果，也說明了M21 體系復合材料力學性能受其孔隙率的影響不大；

（4）依據(jù)三種環(huán)境條件下兩組復合材料的B 基準值進行強度計算、評估和結構設計的結果來看，該兩組材料基本均滿足某型民機尾翼盒段的設計和使用要求，對其在國內(nèi)其它方向或領域的應用提供了參考。