范雨嬌，樓金帥，姜茂川

(中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 101300)

復(fù)合材料以其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比模量、強(qiáng)耐腐蝕性的特點(diǎn)，在各領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，特別是在對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴(yán)苛的航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料能夠有效達(dá)到產(chǎn)品輕量化的效果，并通過(guò)其可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)制造各類(lèi)復(fù)雜制件。玻璃纖維復(fù)合材料作為一種質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好的復(fù)合材料，在飛機(jī)上功能類(lèi)零部件上的應(yīng)用日益成熟，如飛機(jī)上的內(nèi)飾和天線罩等產(chǎn)品，但結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計(jì)需求也對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料的成型工藝提出了更多的挑戰(zhàn)。共固化成型以其優(yōu)異的減重效果及產(chǎn)品性能在復(fù)合材料成型工藝路線選擇上更具優(yōu)勢(shì)，但共固化工藝過(guò)程為保證產(chǎn)品的脫模順利及固化加壓等需求，產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，且在固化過(guò)程中模具不同位置溫度場(chǎng)不同，即同一產(chǎn)品上的不同位置，復(fù)合材料經(jīng)歷不同的固化過(guò)程。

共固化成型工藝參數(shù)會(huì)影響固化過(guò)程中樹(shù)脂的固化程度和力學(xué)性能，影響產(chǎn)品熱膨脹及化學(xué)收縮，因此固化工藝參數(shù)的設(shè)定極其重要[1-4]。陳杰[5]研究了壓力、預(yù)熱溫度、保壓時(shí)間、預(yù)熱時(shí)間因素對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料模壓件彎曲強(qiáng)度的影響，研究表明當(dāng)預(yù)熱溫度為215.5 ℃、預(yù)熱時(shí)間為16 min、壓力為3.8 MPa、保壓時(shí)間為3 min時(shí)，長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料熱模壓件的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)。蔡燁夢(mèng)等[6]使用玻璃纖維預(yù)浸料以模壓工藝制備復(fù)合材料板簧，研究了原材料的選擇和固化成型溫度、時(shí)間、壓力對(duì)板簧力學(xué)性能和外觀質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)固化工藝直接影響材料的力學(xué)性能從而最終影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特性。為探究隔板類(lèi)罩體共固化成型工藝制定的可行性，作者研究了該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品模具材料中溫環(huán)氧/玻璃纖維層合板(簡(jiǎn)稱(chēng)層合板)的高溫點(diǎn)及低溫點(diǎn)兩種極限固化工藝條件對(duì)材料性能的影響，并通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)工藝條件及材料標(biāo)準(zhǔn)性能進(jìn)行對(duì)比，判斷工藝制定的可行性，為今后工藝條件的制定選擇提供依據(jù)和參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

中溫玻璃纖維織預(yù)浸料物：牌號(hào)為SW280A/3218、SW220A/3218 、SW110A/3218，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司產(chǎn)；中溫膠膜：牌號(hào)為J-95，黑龍江石油化工研究院產(chǎn)；芳綸紙蜂窩：牌號(hào)為NH-1-2.75-72-12 mm，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備與儀器

熱壓罐：規(guī)格為φ2.35 m×7 m，中航工程集成設(shè)備有限公司制；MQ6025A 型萬(wàn)能工具磨床：武漢武機(jī)精密設(shè)備制造有限公司制；CMT5105 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司制；HP 8722ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：美國(guó)安捷倫公司制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 固化工藝

在采用共固化整體成型工藝方法時(shí)，由于模具的復(fù)雜性，在前期研究過(guò)程中會(huì)探究模具整體的溫度分布，從而確定高溫點(diǎn)、低溫點(diǎn)溫度曲線?；诖耍瑢?shí)驗(yàn)采用A、B、C 3種工藝條件制備層合板，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估。其中，工藝A為預(yù)浸料的標(biāo)準(zhǔn)固化工藝；工藝B為高溫點(diǎn)工藝，即升溫速率較快且高溫保溫時(shí)間較長(zhǎng)的工藝；工藝C為低溫點(diǎn)工藝，即升溫速率較慢且低溫保溫時(shí)間較長(zhǎng)的工藝。

工藝A：升溫至80℃，加壓至0.3 MPa，保溫1 h后升溫至130 ℃保溫2 h，再降溫至60 ℃出罐，升降溫2 ℃/min。

工藝B：室溫下升溫至65 ℃，加壓至0.3 MPa,保溫1 h，升溫至95 ℃保溫2 h，升溫至110 ℃保溫1 h，升溫至120 ℃保溫1h，升溫至130 ℃保溫17 h，降溫至30 ℃，升降溫2 ℃/min。

工藝C：室溫下以0.5 ℃/min速度進(jìn)行升溫，每升溫2 ℃后保溫20 min，控制平均升溫速率約0.1 ℃/min，升溫20 min后加壓至0.3 MPa，繼續(xù)升溫至125 ℃后以0.5 ℃/min降溫速度降溫至25 ℃。

1.3.2 層合板試樣的制備

彎曲和層間剪切性能測(cè)試試樣：彎曲強(qiáng)度使用表1所示的預(yù)浸料，先將預(yù)浸料裁剪成160 mm×160 mm，按照表1中的鋪層順序進(jìn)行鋪放，完成封裝后按照表中所示工藝在熱壓罐中進(jìn)行固化，固化后切割成為60 mm×13 mm的彎曲性能測(cè)試試樣及20 mm×13 mm的層間剪切性能測(cè)試試樣。

電性能測(cè)試試樣：使用表1所示的預(yù)浸料，先將預(yù)浸料裁剪成200 mm×200 mm，按照表1中的鋪層順序進(jìn)行鋪放，完成封裝后按照表1中所示工藝在熱壓罐中進(jìn)行固化，固化后切割成為φ61 mm的電性能測(cè)試試樣。

滾筒剝離性能測(cè)試試樣：使用表1所示的預(yù)浸料，先將預(yù)浸料裁剪成400 mm×450 mm，按照表1的鋪層順序進(jìn)行鋪放，鋪放完畢后放置J-95膠膜及Nomex蜂窩，在蜂窩上放置J-95膠膜后再按照鋪層要求鋪放預(yù)浸料，完成封裝后按照表1所示工藝在熱壓罐中進(jìn)行固化，固化后切割成為150 mm×75 mm的滾筒剝離測(cè)試試樣。

1.4 分析與測(cè)試

層間剪切強(qiáng)度：采用CMT5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM D2344—16進(jìn)行測(cè)試，加載速度為1 mm/min。

彎曲強(qiáng)度和彎曲模量：采用CMT5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM D790—10進(jìn)行測(cè)試，加載速度為1 mm/min。

滾筒剝離強(qiáng)度：采用CMT5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM D1781—98(2012)進(jìn)行測(cè)試。

介電常數(shù)及損耗角正切：采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，按照GB/T 5597—1999進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝條件對(duì)彎曲性能的影響

由表2可看出：在標(biāo)準(zhǔn)工藝A條件下，SW280A/3218層合板的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量最高，其中緯向彎曲強(qiáng)度為775.40 MPa，彎曲模量為22.56 GPa，經(jīng)向彎曲強(qiáng)度為881.60 MPa，彎曲模量為25.46 GPa；在高溫點(diǎn)工藝B條件下，相比標(biāo)準(zhǔn)工藝A的彎曲強(qiáng)度，其經(jīng)向和緯向的彎曲強(qiáng)度均有所下降，其中緯向彎曲強(qiáng)度下降約11%，經(jīng)向彎曲強(qiáng)度下降約18%，而彎曲模量無(wú)明顯變化；在低溫點(diǎn)工藝C條件下成型的層合板，相比標(biāo)準(zhǔn)工藝A的彎曲強(qiáng)度，其緯向彎曲強(qiáng)度下降14%，經(jīng)向彎曲強(qiáng)度下降16%。

表2 不同工藝條件下層合板的彎曲性能Tab.2 Flexural properties of laminates under different process conditions

相比而言，標(biāo)準(zhǔn)工藝A條件為該預(yù)浸料固化的最佳工藝，在該工藝下層合板的彎曲強(qiáng)度可以達(dá)到最大值。這是由于在其他極限工藝條件下，樹(shù)脂的固化條件發(fā)生變化，對(duì)于高溫點(diǎn)工藝B，相當(dāng)于在材料的固化完成后，進(jìn)行了133 ℃約20 h的高溫?zé)崽幚恚捎谠擉w系為中溫材料體系，在130 ℃已超過(guò)材料的長(zhǎng)期使用溫度，該工藝的后段保溫時(shí)間相當(dāng)于材料固化后經(jīng)受17 h的熱老化處理，導(dǎo)致材料性能下降；對(duì)于低溫點(diǎn)工藝C，則相當(dāng)于材料固化過(guò)程中在低溫經(jīng)歷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響樹(shù)脂的凝膠固化過(guò)程，從而影響材料的最終性能。由表2還可看出，對(duì)于SW220A/3218及SW110A/3218層合板，不同工藝下的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量未發(fā)生明顯變化。根據(jù)Q/ZHFC 8246—2015標(biāo)準(zhǔn)中的彎曲性能指標(biāo)，不同工藝條件下層合板的彎曲性能均達(dá)到了該標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 工藝條件對(duì)層間剪切強(qiáng)度的影響

由表3可看出：SW280A/3218層合板在標(biāo)準(zhǔn)工藝A條件下，緯向?qū)娱g剪切強(qiáng)度為67.44 MPa，經(jīng)向?qū)娱g剪切強(qiáng)度為73.32 MPa；相比標(biāo)準(zhǔn)工藝A的層間剪切強(qiáng)度，在低溫點(diǎn)工藝C條件下，SW280A/3218層合板的緯向?qū)娱g剪切強(qiáng)度變化很小為66.62 MPa，而經(jīng)向?qū)娱g剪切強(qiáng)度為67.4 MPa下降約8%；高溫點(diǎn)工藝B對(duì)于SW280A/3218層合板層間剪切強(qiáng)度的影響較為明顯，相比標(biāo)準(zhǔn)工藝A的層間剪切強(qiáng)度，其經(jīng)向和緯向的層間剪切強(qiáng)度分別下降約12%和約11%。

表3 不同工藝條件下層合板的層間剪切性能Tab.3 Interlaminar shear strength of laminates under different process conditions

由表3還可以看出， SW220A/3218層合板的層間剪切強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)工藝A條件下，緯向?qū)娱g剪切強(qiáng)度為67.42 MPa，經(jīng)向?qū)娱g剪切強(qiáng)度為72.52 MPa；相比標(biāo)準(zhǔn)工藝A的層間剪切強(qiáng)度，在低溫點(diǎn)工藝C條件下，SW220A/3218層合板的緯向?qū)娱g剪切強(qiáng)度下降約10%，經(jīng)向?qū)娱g剪切強(qiáng)度下降約9%；高溫點(diǎn)工藝B條件下，相比標(biāo)準(zhǔn)工藝A的層間剪切強(qiáng)度，SW220A/3218層合板的緯向和經(jīng)向?qū)娱g剪切強(qiáng)度則分別下降約9%，8%。這是由于極限工藝條件下樹(shù)脂的凝膠過(guò)程受到影響，導(dǎo)致樹(shù)脂的性能下降及纖維和樹(shù)脂的界面性能下降，從而影響層合板的層剪剪切強(qiáng)度。另外，從表3可以看出，對(duì)于SW110A/3218層合板，不同工藝下的層間剪切強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化。根據(jù)Q/ZHFC 8246—2015標(biāo)準(zhǔn)中的層間剪切性能指標(biāo)，不同工藝條件下層合板的層間剪切性能均達(dá)到了該標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 工藝條件對(duì)滾筒剝離強(qiáng)度的影響

將SW220A/3218與Nomex蜂窩通過(guò)J-95進(jìn)行膠接的A夾層蜂窩結(jié)構(gòu)，在不同固化工藝條件下的滾筒剝離性能如表4所示。由表4可看出：標(biāo)準(zhǔn)工藝A條件下成型的夾層結(jié)構(gòu)上蒙皮的滾筒剝離強(qiáng)度為130.2 (N·mm)/mm，下蒙皮滾筒剝離強(qiáng)度為130.0 (N·mm)/mm；在低溫點(diǎn)工藝C條件下成型的夾層結(jié)構(gòu)上蒙皮及下蒙皮的滾筒剝離強(qiáng)度分別為97.3，90.2 (N·mm)/mm，相比標(biāo)準(zhǔn)工藝A條件下成型的夾層結(jié)構(gòu)，其滾筒剝離強(qiáng)度則分別下降約25%，31%；在高溫保持較長(zhǎng)時(shí)間的工藝B條件下，上蒙皮及下蒙皮的滾筒剝離強(qiáng)度分別為121.0，113.6 (N·mm)/mm，相比標(biāo)準(zhǔn)工藝A條件下成型的夾層結(jié)構(gòu)，其滾筒剝離強(qiáng)度則分別下降約7%，13%。

表4 不同工藝條件下的夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強(qiáng)度Tab.4 Roll peel strength of honeycomb sandwich panel under different process conditions

通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，相比于預(yù)浸料，膠膜對(duì)于固化工藝變化的敏感程度更高，特別對(duì)于升溫段較長(zhǎng)的工藝C，由于在低溫段保持較長(zhǎng)時(shí)間，從而影響了膠膜的整體凝膠固化過(guò)程，影響蜂窩與預(yù)浸料的粘接性能，所以預(yù)浸料及蜂窩粘接的滾筒剝離強(qiáng)度下降最為明顯。而在工藝B條件下，相當(dāng)于膠膜已經(jīng)完成標(biāo)準(zhǔn)工藝后，進(jìn)行了130 ℃長(zhǎng)時(shí)熱老化，但是性能下降較小。另外，通過(guò)觀察滾筒剝離實(shí)驗(yàn)后的破壞模式可發(fā)現(xiàn)，滾筒剝離實(shí)驗(yàn)的破壞模式均為典型破壞模式，蜂窩在兩側(cè)的蒙皮膠膜上均有殘留，且膠膜爬坡形成的膠瘤明顯。由于Q/ZHFC 8246—2015只規(guī)定了預(yù)浸料層合板性能，未規(guī)定夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離性能，各工藝條件下的滾筒剝離強(qiáng)度均可滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.4 工藝條件對(duì)電性能的影響

由表5可以看出：固化工藝條件對(duì)SW220A/3218層合板的電性能的影響較小，3種工藝條件下SW220A/3218層合板的介電常數(shù)和介電損耗無(wú)明顯變化。這是由于層合板材料的介電常數(shù)和介電損耗主要與原材料纖維和樹(shù)脂本身的介電常數(shù)和介電損耗及層合板中纖維和樹(shù)脂的比例有關(guān)，3種工藝條件下的層合板都達(dá)到完全固化的狀態(tài)，且樹(shù)脂含量均相同，所以3種固化工藝對(duì)其影響較小。3種工藝條件下材料介電性能均滿足Q/ZHFC 8246—2015要求。

表5 不同工藝條件下的SW220A/3218層合板的介電性能Tab.5 Dielectric properties of SW220A/3218 laminates under different process conditions

3 結(jié)論

a.相比于標(biāo)準(zhǔn)工藝條件，極限固化工藝條件對(duì)于中溫環(huán)氧/玻璃纖維層合板的彎曲強(qiáng)度及層間剪切強(qiáng)度影響較為明顯，但極限固化工藝條件下制得的層合板的力學(xué)性能均可滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

b.相比于層合板結(jié)構(gòu)，由于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠膜對(duì)于固化工藝條件的敏感度較高，在兩種極限固化工藝條件下，膠膜的滾筒剝離強(qiáng)度存在下降，前期升溫段過(guò)長(zhǎng)對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離性能的影響較為明顯，所以大型制件成型工藝選擇上應(yīng)充分考慮驗(yàn)證蜂窩夾層結(jié)構(gòu)部分的升溫時(shí)間過(guò)程問(wèn)題。對(duì)于極限固化工藝條件下制得的層合板夾層結(jié)構(gòu)，其滾筒剝離強(qiáng)度均可滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

c.極限固化工藝條件對(duì)層合板的介電常數(shù)和介電損耗的影響較小，作為透波材料體系，在工藝條件的選擇上對(duì)于介電性能的影響可不作考慮。