孫煜，劉強(qiáng)，黃峰，馬金瑞，張宇

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司基礎(chǔ)技術(shù)研究院，北京 101300； 2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300)

隨著復(fù)合材料在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，材料的耐久性設(shè)計(jì)和損傷容限設(shè)計(jì)越來(lái)越引起人們的重視[1]。傳統(tǒng)層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層間強(qiáng)度弱、韌性低、受沖擊后易分層，顯著降低了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷容限和設(shè)計(jì)許用值，致使復(fù)合材料減重優(yōu)勢(shì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中難以得到充分發(fā)揮。編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是由經(jīng)緯紗在空間相互交織在一起形成的整體結(jié)構(gòu)，具有厚度方向和橫向方向的全方位增強(qiáng)，能夠大幅度提高復(fù)合材料的抗層間剪切強(qiáng)度、耐沖擊性能和損傷容限[2]，可以很好地滿(mǎn)足目前航空航天，特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)復(fù)合材料低質(zhì)量高性能的要求。早在1988 年，美國(guó)航天局(NASA)和美國(guó)軍方就先后提出了先進(jìn)復(fù)合材料研究計(jì)劃以及先進(jìn)的輕型飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)程序(ALAFS)計(jì)劃。確定將樹(shù)脂傳遞模塑料(RTM)編織技術(shù)作為改善復(fù)合材料層間性能，提高損傷容限和耐沖擊性的主要技術(shù)途徑[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在振動(dòng)、冷熱態(tài)循環(huán)變化等嚴(yán)苛環(huán)境下服役，對(duì)其復(fù)合材料制件有較高的成型質(zhì)量要求，而RTM 成型工藝的穩(wěn)定性是復(fù)合材料制件成型質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片包容機(jī)匣有較高的抗沖擊要求，因此，國(guó)外采用了具有高韌性特征的專(zhuān)用液體成型樹(shù)脂結(jié)合編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體進(jìn)行成型，如國(guó)外CYTEC 公司的PR520N 樹(shù) 脂、HEXCEL 公司 的RTM230ST 樹(shù)脂、3M 公司的2895 樹(shù)脂。該類(lèi)樹(shù)脂的特點(diǎn)是韌性好、抗沖擊指標(biāo)優(yōu)異，但工藝操作性遠(yuǎn)不及常規(guī)的液體成型樹(shù)脂，其主要的工藝難點(diǎn)在于高溫注射(溫度≥150℃)、超短時(shí)效(≤35 min)和快速變化的粘溫特性(30 min 內(nèi)黏度由100 Pa·s 快速升高至1 000～1 500 Pa·s)，工藝窗口狹窄，工藝參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍小，工藝調(diào)節(jié)裕度小，對(duì)RTM 工藝的穩(wěn)定操作的難度較大，國(guó)外在經(jīng)過(guò)多年的RTM 工藝穩(wěn)定性的研究的基礎(chǔ)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高韌液體成型樹(shù)脂的大規(guī)模應(yīng)用，如LEAP-X 發(fā)動(dòng)機(jī)的三維機(jī)織葉片、三維機(jī)織包容機(jī)匣均采用PR520N 樹(shù)脂和專(zhuān)利性的RTM 技術(shù)成型[4]，而國(guó)內(nèi)近年來(lái)剛剛開(kāi)始液體成型用高韌樹(shù)脂的研發(fā)，在航空復(fù)合材料領(lǐng)域僅開(kāi)展高溫短時(shí)效RTM 成型工藝的基礎(chǔ)性研究，高溫短時(shí)效RTM 成型工藝的穩(wěn)定性尚未達(dá)到滿(mǎn)足工程化生產(chǎn)的程度，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織風(fēng)扇葉片預(yù)制體和大尺寸的包容機(jī)匣預(yù)制體的RTM 穩(wěn)定成型是巨大的工藝挑戰(zhàn)。因此，尚需開(kāi)展大量的基礎(chǔ)研究和工藝驗(yàn)證。

針對(duì)高韌性樹(shù)脂RTM 成型編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料工藝參數(shù)控制這一難題，筆者研究了高韌性短時(shí)效RTM 樹(shù)脂工藝特性及編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體的滲透特性，并結(jié)合PAM-RTM 軟件進(jìn)行RTM 成型樹(shù)脂注射方案工藝仿真。優(yōu)選樹(shù)脂注射流道和成型工藝參數(shù)，使之能夠與高韌性短時(shí)效RTM 樹(shù)脂工藝窗口期相匹配，尋求航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高韌性編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料RTM 成型工藝方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

樹(shù)脂體系：1304 增韌環(huán)氧樹(shù)脂體系，中航復(fù)材(北京)科技公司；

增強(qiáng)體系：8 步法編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體，8 mm 厚，中材科技股份有限公司織造，威海拓展T800 級(jí)碳纖維，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示；

圖1 8 步法編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體

滲透率測(cè)試流體：食用油，市購(gòu)，室溫下黏度0.081 3 Pa·s。

1.2 儀器及設(shè)備

旋轉(zhuǎn)流變儀：AR2000 型，美國(guó)TA 儀器公司；

編織結(jié)構(gòu)滲透率測(cè)試裝置如圖2 所示。

圖2 編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體滲透率測(cè)試模具

1.3 樹(shù)脂體系工藝特性測(cè)試

采用旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試1304 增韌環(huán)氧樹(shù)脂體系黏度的升溫曲線(xiàn)和保溫曲線(xiàn)，獲得樹(shù)脂RTM 成型最佳注射溫度和工藝窗口期。

1.4 編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體滲透率測(cè)試

采用徑向法測(cè)試編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體面內(nèi)滲透率[5-10]，從模型中心澆注，記錄樹(shù)脂流動(dòng)前沿的位置和此時(shí)相對(duì)應(yīng)的壓力變化，代入達(dá)西定律的二維形式，經(jīng)過(guò)換算得出面內(nèi)滲透率計(jì)算公式：

式中：Kx——經(jīng)向滲透率；

Ky——緯向滲透率；

η——流體黏度；

φ——孔隙率；

R0，Rx，Ry——注入半徑，x 方向的流動(dòng)前沿 半徑，y 方向的流動(dòng)前沿半徑；

t——從開(kāi)始注入到Rx或者Ry所用的時(shí)間；

ΔP——流動(dòng)前沿和注入口間的壓力差。

采用單向飽和流動(dòng)法測(cè)試編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體面外滲透率[11-14]，記錄流體從預(yù)制體一側(cè)流入，到另一側(cè)溢出(流體流動(dòng)前鋒流過(guò)預(yù)制體厚度)的時(shí)間t，代入下式得出預(yù)制體面外滲透率：

式中：Kz——面外滲透率；

xf——液體流動(dòng)前鋒位置；

μ——樹(shù)脂黏度；

P——澆注壓力。

1.5 RTM 成型樹(shù)脂注射方案工藝仿真

采用Hypermesh 軟件對(duì)編織結(jié)構(gòu)平板模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，編織結(jié)構(gòu)平板的尺寸為400 mm×400 mm×8.5 mm，共得到3 534 個(gè)節(jié)點(diǎn)和7 044 個(gè)網(wǎng)格。

采用PAM-RTM 軟件對(duì)1304 樹(shù)脂／8 步法編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體RTM 成型樹(shù)脂注射方案進(jìn)行工藝仿真，分別選取中心澆注、經(jīng)向澆注、緯向澆注，調(diào)整澆注壓力，通過(guò)模擬仿真，得到樹(shù)脂充模時(shí)間，使之能夠與1304 增韌環(huán)氧樹(shù)脂短時(shí)效的工藝窗口期相匹配。

2 結(jié)果與討論

2.1 增韌環(huán)氧樹(shù)脂工藝特性測(cè)試

樹(shù)脂的黏度特性是RTM 成型工藝的一個(gè)關(guān)鍵因素，樹(shù)脂黏度過(guò)大，澆注壓力相應(yīng)要求較大，一方面對(duì)模具提出了更高要求，成本相應(yīng)較大，另一方面較大的壓力可能會(huì)使纖維預(yù)制體變形或移位，影響復(fù)合材料制件性能[15]。所以，RTM 成型工藝通常選取較小的黏度完成樹(shù)脂的注射。圖3 為1304增韌環(huán)氧樹(shù)脂室溫到200℃溫度-黏度曲線(xiàn)。從圖3 可以看出，樹(shù)脂的黏度隨著溫度的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，在165℃左右時(shí)黏度達(dá)到最低，約為0.09 Pa·s，選取該溫度為1304 樹(shù)脂RTM 成型注射溫度。這是由于1304 樹(shù)脂為增韌樹(shù)脂體系，在165℃以上增韌組分才能很好地與樹(shù)脂本體交聯(lián)，否則在注射過(guò)程中大分子增韌顆粒會(huì)被纖維預(yù)制體阻擋而無(wú)法均勻分布到整個(gè)預(yù)制體中。而在更高溫度下，樹(shù)脂黏度急劇上升，無(wú)法滿(mǎn)足RTM 成型要求。圖4 為穩(wěn)定165℃溫度條件，1304 增韌環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)間-黏度曲線(xiàn)，由圖4 可以看出，保持165℃溫度不變，樹(shù)脂黏度隨著時(shí)間的增加而上升，樹(shù)脂黏度可保持在1 Pa·s 以下的時(shí)間約為1 500 s (25 min)。綜上所述，設(shè)定1304 增韌環(huán)氧樹(shù)脂RTM 成型注射溫度為165℃，澆注時(shí)間不超過(guò)25 min。

圖3 樹(shù)脂溫度-黏度曲線(xiàn)

圖4 樹(shù)脂165℃時(shí)間-黏度曲線(xiàn)

2.2 8 步法編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體滲透率測(cè)試

測(cè)試8 步法編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體面密度為7 469.53 g／m2，采用阿基米德排水法測(cè)試碳纖維密度為1.81 g／cm3，通過(guò)計(jì)算得到其孔隙率為0.484 1。采用編織結(jié)構(gòu)滲透率測(cè)試裝置，模具由上下帶刻度的透明有機(jī)玻璃蓋板外加四周框架組成，為保證密封性，有機(jī)玻璃蓋板與框架模具之間設(shè)置有密封槽[16]，在裝置的澆口進(jìn)、出口設(shè)置有壓力表，用于監(jiān)測(cè)在流體注射過(guò)程中壓力變化。從模型中心澆注，透過(guò)有機(jī)玻璃蓋板觀察并記錄對(duì)應(yīng)時(shí)間下流體流動(dòng)前沿的位置及此時(shí)壓力變化ΔP，見(jiàn)表1(表中X／Y 方向前鋒位置為正負(fù)方向流動(dòng)前鋒的平均值)，壓力差均為98.67 kPa，Z 向的流動(dòng)時(shí)間為3 s，代入式(1)，(2)，(3)中得到8 步法編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體面內(nèi)和面外滲透率。從表1 可以看出，8 步法編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體的經(jīng)向滲透率遠(yuǎn)高于緯向和面外(Z 向)滲透率。

表1 8 步法編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體滲透率測(cè)試結(jié)果

2.3 RTM 成型樹(shù)脂注射方案工藝仿真

圖5 為中心澆注RTM 成型澆注過(guò)程仿真結(jié)果。為了防止纖維預(yù)制體被沖刷變形，RTM 成型樹(shù)脂澆注壓力通常設(shè)置在0.5 MPa 以?xún)?nèi)。澆注口(?=8 mm)設(shè)置在編織預(yù)制體中心，壓力為0.3 MPa，RTM 澆注過(guò)程仿真結(jié)果如圖5a 所示。由圖5a 可以看出，樹(shù)脂充模完成所需時(shí)間約為5 710 s，遠(yuǎn)超過(guò)1304 樹(shù)脂工藝窗口期，不能滿(mǎn)足RTM 成型工藝要求；當(dāng)將澆注壓力增加到0.5 MPa時(shí)，其仿真結(jié)果如圖5b 所示，需要約3 430 s 才能完成樹(shù)脂的注射，同樣無(wú)法在樹(shù)脂工藝窗口內(nèi)完成充模過(guò)程。

圖5 中心澆注RTM 成型澆注過(guò)程仿真結(jié)果

圖6 示出緯向澆注RTM 成型澆注過(guò)程仿真結(jié)果。從圖6 可看出，當(dāng)澆注壓力由0.3 MPa 上升至0.5 MPa 時(shí)，樹(shù)脂的澆注時(shí)間由大約4 920 s 減少到2 950 s 左右，依舊無(wú)法滿(mǎn)足1304 樹(shù)脂工藝窗口期的要求。但是在相同澆注壓力下，采用線(xiàn)澆注相比于從中心點(diǎn)澆注，澆注時(shí)間大大縮短。

圖6 緯向澆注RTM 成型澆注過(guò)程仿真結(jié)果

圖7 為編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體經(jīng)向澆注RTM 成型澆注過(guò)程仿真結(jié)果。從圖7 可以看出，當(dāng)澆注壓力設(shè)置為0.3 MPa 時(shí)，樹(shù)脂的充模時(shí)間為966 s，可以滿(mǎn)足1304 環(huán)氧樹(shù)脂苛刻的工藝操作要求；而當(dāng)澆注壓力下降到0.2 MPa 后，澆注時(shí)間上升到約1 450 s，幾乎達(dá)到了該溫度下1304 環(huán)氧樹(shù)脂澆注的極限時(shí)間。在進(jìn)行RTM 成型時(shí)，為了保證模腔中吸附在預(yù)制體上的小分子空氣充分排出，通常在出膠口進(jìn)行抽真空處理，對(duì)澆注壓力為0.2 MPa，澆注出口壓力為-0.1 MPa 的RTM 成型過(guò)程進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖7c 所示，整個(gè)充模時(shí)間約為943 s，與采用0.3 MPa 注射時(shí)間相當(dāng)，可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成樹(shù)脂注射。因此，為了與高韌性短時(shí)效1304 環(huán)氧樹(shù)脂工藝窗口期相匹配，在其RTM 成型過(guò)程中，建議從編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體的經(jīng)向進(jìn)行線(xiàn)澆注，澆注壓力設(shè)定為0.2 MPa，澆口出口進(jìn)行抽真空處理。

圖7 經(jīng)向澆注RTM 成型澆注過(guò)程仿真結(jié)果

3 結(jié)論

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高韌性編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料RTM 成型工藝開(kāi)展了增韌樹(shù)脂基體的工藝特性及編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體的滲透特性研究，并結(jié)合PAMRTM 軟件對(duì)RTM 成型樹(shù)脂注射過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，對(duì)樹(shù)脂注射流道和工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果如下：

(1) 1304 增韌環(huán)氧樹(shù)脂RTM 成型的最佳注射溫度為165℃，最佳注射時(shí)間在25 min 以?xún)?nèi)；

(2) 8 步法編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體經(jīng)向滲透率Kx=3.82×10-11m2，緯向滲透率Ky=7.45×10-12m2，Z 向(面外)滲透率Kz=4.26×10-12m2，經(jīng)向滲透率遠(yuǎn)大于緯向和Z 向滲透率；

(3)獲得了航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高韌性編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料RTM 成型工藝方法即設(shè)計(jì)澆注流道為經(jīng)向線(xiàn)澆注，澆注溫度為165℃，澆注口壓力為0.2 MPa，澆注出口壓力為-0.1 MPa，澆注時(shí)間約為16 min。