郝新超，胡 杰

（中國商飛上海飛機設(shè)計研究院，上海201210）

復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)重量輕、剛性大，可大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量[1]，在飛機結(jié)構(gòu)上有廣泛的應(yīng)用。目前復(fù)材蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的成型工藝主要有膠接和共固化成型兩種[2]。共膠接適用于蒙皮質(zhì)量要求高、固化工藝與最終膠接工藝相差較大的制件[3]。共固化適用于制造型面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且成型工藝制造成本低，現(xiàn)在這種成型工藝越來越受到重視[2]。與共膠接不同，共固化成型工藝不當(dāng)，產(chǎn)品將產(chǎn)生多種質(zhì)量問題，包括蒙皮表面貧膠、表面凹陷和起皺、內(nèi)部孔隙密集、蜂窩側(cè)向變形等缺陷，蜂窩芯材周邊向中間塌陷的變形比較常見[4]。蜂窩變形引起的蜂窩芯格擠壓破損和表面蒙皮的纖維皺褶，會造成產(chǎn)品的報廢[5]。

一般認(rèn)為，蜂窩側(cè)向變形發(fā)生在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的固化過程中，在預(yù)浸料固化之前[5]。國內(nèi)外研究者[4–6]認(rèn)為成型過程中熱壓罐和蜂窩芯內(nèi)部之間的壓力差是造成蜂窩側(cè)向變形的驅(qū)動力。通常，蜂窩在高度（厚度）方向的強度足以抵抗壓差載荷，蜂窩側(cè)向抗壓能力較弱不足以抵抗壓差載荷。蜂窩芯內(nèi)部壓力、蜂窩芯在水平向的壓縮剛度、預(yù)浸料與蜂窩的摩擦力與成型過程中的外部壓力平衡，使得蜂窩在成型時不產(chǎn)生側(cè)向變形。固化過程中溫度的升高降低了預(yù)浸料和膠膜中的樹脂的黏度，同時降低了蜂窩與預(yù)浸料之間的摩擦系數(shù)，摩擦力減小，在壓差驅(qū)動力的作用下蜂窩發(fā)生變形?？椢锝Y(jié)構(gòu)和纖維束形狀、樹脂黏度及樹脂在預(yù)浸料表面的分布是影響預(yù)浸料摩擦系數(shù)的兩個重要因素[7]。鄭義珠等[4]證明在采用真空袋共固化成型時，固化過程中蜂窩的內(nèi)壓對于減小蜂窩的變形起到重要的作用。在采用熱壓罐固化時，蜂窩內(nèi)壓的影響未進行研究。

針對蜂窩側(cè)向變形解決措施，陳蔚等[8]通過幾種成型方法比較發(fā)現(xiàn)，采用三步固化法可完全消除蜂窩芯的成型變形。閆恩瑋等[9]通過在蜂窩邊緣底部增加預(yù)固化膠膜的方法解決了U型蜂窩夾層前緣的蜂窩變形和鋪層皺褶的問題。

Dulieu-bartan等[10]對采用熱壓罐和真空成型工藝成型的蜂窩夾芯件的蜂窩變形和機械性能進行對比，結(jié)果顯示在未采用穩(wěn)定化的情況下，熱壓罐工藝蜂窩側(cè)向變形可達12%，真空成型工藝的蜂窩變形僅為1.31%，而兩種成型所得蜂窩夾芯件的機械性能相當(dāng)。王宏磊[11]通過試驗發(fā)現(xiàn)，成型壓力對蜂窩夾芯板各項性能影響較小。董安琪等[12]指出，OOA(熱壓罐外固化成型)工藝采用低成型壓力，可以降低對夾芯制件中芯材抗壓性能的要求，尤其有利于成型夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。然而，在零件尺寸較大，蜂窩高度大，采用真空壓力（低成型壓力）成型時，容易出現(xiàn)因蜂窩芯排氣不暢造成蜂窩與面板脫粘情況[1]?？梢姺涓C夾芯結(jié)構(gòu)采用降低成型壓力的工藝也是減小蜂窩芯的側(cè)向變形的有效方法，待材料和工藝成熟后可應(yīng)用民用航空產(chǎn)品。目前，民用航空蜂窩夾層件仍以熱壓罐成型工藝為主。

上述對于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)共固化中的蜂窩變形問題均是在試驗基礎(chǔ)上進行的蜂窩側(cè)向變形和蜂窩穩(wěn)定化研究。本文研究蜂窩基礎(chǔ)力學(xué)性能，通過理論推導(dǎo)給出不產(chǎn)生蜂窩變形的條件，同時給出提高蜂窩側(cè)向剛度的幾種工藝措施，并進行熱壓罐工藝試驗驗證。

1 Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)向變形機理分析及消除蜂窩變形的措施

1.1 蜂窩參數(shù)測定試驗

試驗?zāi)康模捍_定蜂窩在固化溫度下的力學(xué)性能和蜂窩與膠膜/碳纖維織物預(yù)浸料的摩擦系數(shù)，為蜂窩夾層件在固化過程的變形機理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（1）蜂窩參數(shù)試驗原材料。

Nomex芳綸紙蜂窩選用ACT–2–3.2–48，六邊形蜂格尺寸3.2mm，材料密度48kg/m3，特一（上海）新材料有限公司生產(chǎn)。碳纖維織物預(yù)浸料選用COM970/PWC T300 3K ST（CCF），樹脂含量40%±2%，Cytec公司生產(chǎn)。膠膜選用LOCTITE EA 7000 0325NW AERO，厚度0.127mm，漢高公司生產(chǎn)。

（2）高溫下蜂窩剛度與強度數(shù)據(jù)。

由表1可知，在固化溫度（180℃）下，蜂窩在厚度方向的壓縮強度（1.84MPa）遠大于固化壓差0.2MPa（2個大氣壓）。蜂窩W向的壓縮強度最低，僅為0.023MPa（為0.23個大氣壓），與固化壓差0.2MPa（2個大氣壓）相差甚遠。即蜂窩在固化成型中并不會沿著厚度方向塌陷，會沿著側(cè)向變形收縮。蜂窩的最小剪切強度（W向為0.63MPa）高于固化壓差（0.2MPa)，即在蜂窩底部不發(fā)生變形的情況下不會產(chǎn)生蜂窩的上部滑移變形和蜂窩彎曲。

（3）固化過程中蜂窩與預(yù)浸料的摩擦系數(shù)。

在固化過程中，蜂窩、膠膜與碳纖維織物預(yù)浸料的摩擦系數(shù)與蜂窩的孔徑、膠膜的流動性、碳纖維織物絲束形狀有關(guān)。對于常規(guī)蜂格尺寸3.2mm的六邊形蜂窩，T300級環(huán)氧平紋碳纖維織物預(yù)浸料在使用0.127mm厚環(huán)氧膠膜情況下進行界面摩擦系數(shù)試驗。由試驗可知在120℃左右膠膜的流動性好，樹脂未發(fā)生交聯(lián)固化，摩擦系數(shù)小。摩擦系數(shù)試驗測得碳纖維織物預(yù)浸料與蜂窩的摩擦系數(shù)在0.2～0.23之間。試驗原理詳見圖1。

1.2 Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)向變形機理分析

（1）Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)熱壓罐成型過程分析。

典型Nomex 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)熱壓罐固化曲線如圖2所示。通常Nomex蜂窩夾層件的四周側(cè)邊和頂部承受熱壓罐壓力，底部與工裝貼合，如圖3（a）所示。

Nomex蜂窩芯材變形發(fā)生在面板預(yù)浸料固化之前，熱壓罐內(nèi)壓力是蜂窩側(cè)向變形的原始驅(qū)動力，蜂窩芯內(nèi)壓、蜂窩芯側(cè)向壓縮剛度及蜂窩與預(yù)浸料的摩擦力是蜂窩側(cè)向變形的抵抗力[5]。

表1 蜂窩在180℃固化溫度下的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of honeycomb at 180℃ curing temperature

圖1 蜂窩與預(yù)浸料摩擦系數(shù)試驗原理Fig.1 Test principle of friction coefficient of honeycomb and prepreg fabric

圖2 典型蜂窩夾層件熱壓罐固化曲線Fig.2 Typical autoclave curing curve of Nomex honeycomb sandwich structure

圖3 蜂窩芯變形回縮示意圖Fig.3 Schematic diagram of honeycomb core crush and retraction

由蜂窩參數(shù)試驗分析可見，常規(guī)密度Nomex 蜂窩沿著高度方向強度較大（1.84MPa），足以抵抗增壓載荷（0.31MPa），而自身抵抗側(cè)向變形能力較小，特別是對于孔格邊長和芯材高度較大的蜂窩，可以忽略蜂窩側(cè)向抗壓剛度對蜂窩變形的抑制作用。

芯材內(nèi)壓與芯材內(nèi)的氣體受熱膨脹和預(yù)浸料鋪層的滲透率相關(guān)，內(nèi)壓的變化是兩者共同作用的結(jié)果[4]。在固化開始時（對于180℃固化復(fù)合材料件，通常為溫度低于120℃）時，樹脂保持高黏性，滲透率低。伴隨著熱壓罐升溫，蜂窩內(nèi)部氣體膨脹，壓力不斷升高。在固化升溫的中后階段，隨著樹脂黏度降低，滲透率升高，蜂窩內(nèi)部氣體向外部擴散，壓力降低，最終在預(yù)浸料固化前穩(wěn)定在大氣壓附近。

在固化開始時，樹脂保持高黏性，預(yù)浸料鋪層之間及預(yù)浸料鋪層和蜂窩芯之間的摩擦系數(shù)高。伴隨著升溫過程中預(yù)浸料樹脂黏度的降低，預(yù)浸料鋪層之間及預(yù)浸料鋪層和蜂窩芯之間的摩擦系數(shù)也在降低，當(dāng)作用在蜂窩側(cè)邊上的熱壓罐壓力大于蜂窩內(nèi)壓和預(yù)浸料鋪層對蜂窩芯側(cè)邊上下表面的最大靜摩擦力的合力時，出現(xiàn)蜂窩側(cè)向變形。

值得注意的是，靠近蜂窩表面的兩層預(yù)浸料對于防止蜂窩側(cè)向變形起著重要的作用。預(yù)浸料黏度降低，同時也降低工裝對于靠近蜂窩上下表面預(yù)浸料鋪層的拴系摩擦力，從而出現(xiàn)預(yù)浸料鋪層與蜂窩共同回縮變形的現(xiàn)象。伴隨著滑移，蜂窩側(cè)邊附近內(nèi)部空間壓縮，內(nèi)部壓力增大，抵抗蜂窩回縮變形，蜂窩側(cè)邊回縮變形過程終止。

蜂窩夾芯四周受到均勻的側(cè)向壓力，不會產(chǎn)生整體的平移。通常在側(cè)邊的中心區(qū)域，蜂窩芯受到單向的側(cè)向力而產(chǎn)生最嚴(yán)重的變形。在蜂窩四周的頂點處，蜂窩承受雙向壓力，產(chǎn)生的變形相對較小[5]。

（2）Nomex蜂窩在成型過程中的受力分析。

蜂窩變形是由于側(cè)向壓力引起的蜂窩橫向移動和蜂格扭曲，蜂窩變形回縮過程詳見圖3。

由前文中蜂窩力學(xué)試驗數(shù)據(jù)可見，蜂窩的側(cè)向剛度不足以支撐固化壓差載荷產(chǎn)生的側(cè)向變形，但是蜂窩與預(yù)浸料之間的摩擦力可有效抑制蜂窩的側(cè)向變形。蜂窩側(cè)向滑移變形的力學(xué)模型如圖4所示。下述分析模型假設(shè)蜂窩為單位寬度。

圖4中為熱壓罐壓力與蜂窩芯內(nèi)壓的壓差；Ft為固化壓差引起的側(cè)向力；Fc為蜂窩側(cè)向（L向或W向）強度，F(xiàn)d和Fd'為蜂窩側(cè)向與預(yù)浸料的摩擦力；Fd1為模具對蜂窩上部預(yù)浸料的約束反力；Fh和Fh'為斜邊在底部投影區(qū)的蜂窩與預(yù)浸料的摩擦力；Fh1為模具對蜂窩下部預(yù)浸料的約束反力；H為蜂窩高度；α為蜂窩傾角；[σw]為蜂窩側(cè)向抗壓強度。

將式（1）～（4）代入式（5）得到滿足蜂窩不發(fā)生側(cè)向變形的條件為：

1.3 消除蜂窩側(cè)向變形的措施

（1）不產(chǎn)生蜂窩側(cè)向變形及纖維架橋的條件討論。

①滿足蜂窩不產(chǎn)生側(cè)向變形的基本條件為式（8）成立。

將試驗測得的數(shù)值[σw]=0.023MPa，μ=0.2及成型壓差ΔP=0.2MPa代入式（8）得α≤25°。當(dāng)α≤25°無法滿足時，提高蜂窩側(cè)向剛度[σw]也可以使得式（8）成立。不滿足條件①將引起蜂窩與預(yù)浸料之間滑移，蜂窩側(cè)向變形。

圖4 蜂窩夾層件固化過程側(cè)向受力分析Fig.4 Side load transfer analysis of honeycomb structure curing process

由式（6）、（7）可知：

②滿足預(yù)浸料不產(chǎn)生側(cè)向變形的條件為邊緣預(yù)浸料的摩擦力（或拴系力）大于側(cè)滑力，即條件式（6）、（7）成立。

通常，通過將靠近蜂窩上下表面的預(yù)浸料與模具通過摩擦帶拴系到一起來滿足條件式（6）、（7）。

③滿足蜂窩根部不產(chǎn)生因加壓引起的架橋的條件是由式（9）求得的R在可接受范圍內(nèi)。

通常在蜂窩根部存在固化成型的R角，此R角為預(yù)浸料邊緣拴系力與摩擦引起的預(yù)浸料張緊力相互平衡的結(jié)果。平衡關(guān)系參見式（9）。可見當(dāng)蜂窩過高時，將引起過大R角而發(fā)生架橋缺陷。當(dāng)蜂窩側(cè)向強度足夠大時，可以使從而R變小，避免架橋的產(chǎn)生。

（2）消除蜂窩側(cè)向變形的措施。

針對上述3個不產(chǎn)生蜂窩變形和纖維架橋的條件，闡述目前常用的防止蜂窩側(cè)向變形和根部架橋的工藝措施。

摩擦帶法：利用摩擦帶拴系貼近蜂窩上下表面的鋪層，利用摩擦帶的摩擦力對纖維產(chǎn)生拉力抵消，使得條件②成立。

膠膜法：在蜂窩上下表面(或僅下表面)預(yù)固化一層膠膜，利用膠膜的抗壓性能可實現(xiàn)蜂窩的穩(wěn)定化，使得條件①③成立，防止蜂窩側(cè)向變形與根部產(chǎn)生架橋。

隔膜法：針對高蜂窩結(jié)構(gòu)，隔膜法并不能有效防止蜂窩側(cè)向變形，將蜂窩采用上下拼接成型，中間增加一層玻璃布織物固化，提高蜂窩側(cè)向剛度使條件①和③成立，可起到防止蜂窩邊緣變形或產(chǎn)生纖維架橋的效果。隔膜法原理參見圖5。

預(yù)固化織物法：針對高蜂窩或邊緣難以拴系預(yù)浸料的蜂窩結(jié)構(gòu)，或預(yù)浸料為單向帶的結(jié)構(gòu)，通過在蜂窩上下表面（或下表明）預(yù)固化一層織物提高蜂窩側(cè)向剛度的方式使條件①、②和③成立，可起到防止蜂窩邊緣變形和產(chǎn)生根部架橋的效果。預(yù)固化法參見圖6。

2 Nomex蜂窩夾層件工藝試驗及結(jié)果討論

圖5 隔膜法原理圖Fig.5 Schematic diagram of septum method

圖6 預(yù)固化織物法原理圖Fig.6 Schematic diagram of pre-curing fabric method

通常，厚度大的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在成型中側(cè)向滑移變形情況更為嚴(yán)重。結(jié)合目前蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在民用飛機的應(yīng)用情況，本文選用常規(guī)密度、高度為60mm的大厚度蜂窩進行蜂窩夾層結(jié)構(gòu)工藝試驗。試驗?zāi)康模罕容^膠膜工藝方法、隔膜工藝方法和預(yù)固化織物工藝方法對于大厚度Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的蜂窩穩(wěn)定化效果和抵抗蜂窩側(cè)向變形的能力。

2.1 試驗件原材料

由文獻[2]可知，低含膠量和較高樹脂流動性的預(yù)浸料將引起共固化蒙皮產(chǎn)生質(zhì)量問題(粘接膠膜出現(xiàn)空洞)，推薦樹脂含量控制在 38%～40% 之間。碳纖維織物預(yù)浸料為COM970/PWC T300 3K ST(CCF)，樹脂含量40%±2%，Cytec公司生產(chǎn)。Nomex芳綸紙蜂窩選用ACT–2–3.2–48，六邊形蜂格尺寸3.2mm，材料密度48kg/m3，特一(上海)新材料有限公司生產(chǎn)。膠膜選用LOCTITE EA 7000 0325NW AERO，厚度0.127mm，漢高公司生產(chǎn)。玻璃纖維選用CYCOM 7668/7781 MEDIUM TACK DP，厚度0.15mm，Cytec工程材料（上海）有限公司生產(chǎn)。

2.2 試驗件制造

由文獻[2]可知，鋪貼過程中的抽真空預(yù)壓實可避免共固化時上下面板孔隙率超標(biāo)。同時蜂窩芯在使用前進行熱處理干燥有利于減少蜂窩固化時高度方向的收縮。試驗件在成型工程中均采用上述措施。

（1）膠膜工藝方法試驗。

采用高度為60mm蜂窩，蜂窩側(cè)邊導(dǎo)角30°，進行膠膜法驗證。試驗結(jié)果表明，蜂窩在膠膜穩(wěn)定化后出現(xiàn)輕微變形，但蜂窩夾層件固化成型后局部出現(xiàn)嚴(yán)重回縮變形和坍塌分層。原因分析：膠膜法由于僅利用膠膜提高蜂窩側(cè)向剛度，二次固化時膠膜軟化后蜂窩側(cè)向剛度不足以抵擋固化壓差載荷，因此膠膜法不適合高蜂窩結(jié)構(gòu)。

（2）隔膜工藝方法試驗。

因采用隔膜法會增加結(jié)構(gòu)重量(每增加一層厚度拼接，會增加一層玻璃纖維織物和兩層膠膜)和制造成本，故在滿足蜂窩穩(wěn)定化的前提下越少的拼接層數(shù)越有利于減重和降成本。針對60mm高度蜂窩，采用兩層蜂窩拼接時，單層蜂窩厚度將達到30mm高度，底部蜂窩的側(cè)部仍然會有回縮變形的問題。當(dāng)采用4層蜂窩拼接時，單層厚度為15mm，但因拼接帶來結(jié)構(gòu)增重和成本較大。綜上，本工藝試驗件采用3層20mm厚蜂窩拼接方案。在真空環(huán)境，180℃保溫2h，完成蜂窩厚度拼接固化。固化后的蜂窩完成邊緣加工，蜂窩尺寸700mm×350mm，蜂窩側(cè)邊導(dǎo)角30°。蜂窩上下表面各鋪貼6層織物后，熱壓罐0.3MPa壓力，真空通大氣，180℃保溫2h，完成蜂窩夾層件固化，試驗件參見圖7。零件形狀保持良好，未出現(xiàn)蜂窩變形，蜂窩邊緣有輕微纖維皺褶，未出現(xiàn)架橋缺陷。

（3）預(yù)固化織物工藝方法試驗。

采用高度為60mm蜂窩，進行預(yù)固化織物法驗證。試驗結(jié)果顯示，零件形狀保持良好，未出現(xiàn)蜂窩變形，未出現(xiàn)纖維皺褶與架橋缺陷。采用預(yù)固化織物法能很好地控制蜂窩變形。試驗件參考圖8。

2.3 結(jié)果討論

由工藝試驗結(jié)果可見：

（1）對于高蜂窩結(jié)構(gòu)(本文采用60mm高度蜂窩)，膠膜法不能有效地防止蜂窩的變形。

（2）采用隔膜法和預(yù)固化織物法均可解決高蜂窩夾層件的蜂窩變形問題。

（3）隔膜法因在蜂窩中間增加了4層膠膜和2層玻璃布，結(jié)構(gòu)增重大，預(yù)固化織物法僅在上下表面增加了共膠接的膠膜，故增重較小。從重量角度考慮，預(yù)固化織物法優(yōu)于隔膜法。

圖7 隔膜法試驗件Fig.7 Test article of septum method

圖8 預(yù)固化織物法試驗件Fig.8 Test article of pre-curing fabric method

（4）相較于隔膜法，預(yù)固化織物法具有更好的蜂窩穩(wěn)定化效果。作用在蜂窩側(cè)部的熱壓罐壓力載荷可以通過蜂窩剪切傳遞到底部預(yù)固化的織物上，轉(zhuǎn)化為織物面內(nèi)壓縮載荷。預(yù)固化的織物具有很強的面內(nèi)壓縮強度，因而預(yù)固化織物法針對60mm高度（本文僅進行了60mm高度蜂窩的固化成型試驗）及以下蜂窩具有很好的蜂窩穩(wěn)定化效果。因未獲知在固化溫度區(qū)間內(nèi)預(yù)固化織物的強度性能和膠膜的粘接強度性能，故本文未從理論上給出在高溫情況下預(yù)固化蜂窩側(cè)向抗壓能力極限及最大適用的蜂窩高度。

（5）采用預(yù)固化織物法，存在二次膠接的問題，膠接面的存在提升了工藝的復(fù)雜度。

（6）對于型面復(fù)雜的零件，隔膜法和預(yù)固化織物法可實現(xiàn)蜂窩的型面預(yù)成型，為后續(xù)預(yù)浸料的鋪貼工序提供了便利。

3 結(jié)論

（1）本文給出了Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)共固化工藝中蜂窩側(cè)向變形機理分析，推導(dǎo)出不產(chǎn)生蜂窩側(cè)向變形的條件。對于常規(guī)蜂窩邊長3.2mm，密度48kg/m3的紙蜂窩，蜂窩導(dǎo)角不應(yīng)大于25°。預(yù)浸料織物邊緣應(yīng)采用有效的拴系。過高的蜂窩高度將引起蜂窩側(cè)向變形和蜂窩根部纖維的架橋。

（2）當(dāng)無法滿足蜂窩不產(chǎn)生側(cè)向變形的條件時，采用隔膜法和預(yù)固化法可提高蜂窩側(cè)向剛度，可有效抑制蜂窩側(cè)向變形的產(chǎn)生。

（3）通過隔膜法和預(yù)固化織物法兩種工藝試驗結(jié)果可知，兩種成型工藝均可解決60mm高度常規(guī)密度蜂窩夾層件的側(cè)向變形問題。相較于隔膜法，預(yù)固化織物法帶來較小的結(jié)構(gòu)增重，但因存在二次膠接問題而提升了工藝的復(fù)雜度。