劉 妍 杜 潮 侯樹濤

（航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

進(jìn)氣道是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分之一，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣裝置，進(jìn)氣道應(yīng)能捕獲足夠并提供具有一定壓力、速度和流量的空氣以便發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生足夠的推力。為了提高隱身性能和降低迎風(fēng)阻力，多將具有平面腹部的截面外形與埋入式進(jìn)氣道組合設(shè)計(jì)，見圖1［1］。為了提高進(jìn)氣道的氣動(dòng)性能，應(yīng)選擇適合的設(shè)計(jì)參數(shù)，而合適的設(shè)計(jì)參數(shù)往往與進(jìn)氣道的成型工藝存在矛盾。進(jìn)口側(cè)棱角、前唇口導(dǎo)流角、后唇口特征參數(shù)［1］和型面等，均給進(jìn)氣道的脫模帶來了困難（圖2）。

進(jìn)氣道的多曲度管筒復(fù)雜形狀限制了成型工藝的 選擇，對于內(nèi)型面尺寸和質(zhì)量要求高的進(jìn)氣道多采用陽模成型，從成本角度多采用手糊濕法成型。但是手糊濕法成型原材料利用率低、尺寸精度較差、后續(xù)需要人工修配以滿足裝配要求、生產(chǎn)周期長、進(jìn)氣道外觀通常依賴生產(chǎn)環(huán)境且不利于環(huán)保。目前市場應(yīng)用廣泛的注塑成型工藝能夠彌補(bǔ)上述不足，注塑成型原料多采用熱塑性材料，可以回收利用，注塑模具的設(shè)計(jì)可以保證產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和尺寸精度，減少后續(xù)修配，注塑成型的高效率可以滿足大批量生產(chǎn)縮短周期，封閉式模具成型可以降低環(huán)境對材料的影響。

注塑成型用熱塑性塑料主要包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、尼龍、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PSU）等。按照進(jìn)氣道使用要求，聚乙烯等多數(shù)常規(guī)熱塑性材料無法滿足。而碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料以其具有可調(diào)的抗拉強(qiáng)度、彈性模量，優(yōu)異的抗蠕變、耐濕熱、耐老化和抗沖擊性能成為進(jìn)氣道材料的最佳選擇之一。

本文選取20%短碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（下簡稱PEEKCF20）注塑成型平面埋入式進(jìn)氣道及其力學(xué)性能試片，并對材料的力學(xué)性能和微觀形貌，進(jìn)氣道的內(nèi)部缺陷和型面進(jìn)行了檢測分析。

1 試驗(yàn)和測試

1.1 主要原料和設(shè)備

聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF），型號(hào)TC-36S-12K，短切長度2～4 mm和4～6 mm，平均直徑7 μm，聚醚酰亞胺型上漿劑，日本東麗公司。聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF），型號(hào)TC-36S-12K，短切長度4～6 mm，平均直徑7 μm，環(huán)氧樹脂型上漿劑，日本東麗公司。PEEK 樹脂顆粒料由長春吉大特塑工程研究所提供，注塑機(jī)型號(hào)HTF1000W2/90。

1.2 制備

按照碳纖維質(zhì)量比20%稱取碳纖維和聚醚醚酮樹脂，將碳纖維、PEEK樹脂和助劑在高速混料機(jī)內(nèi)預(yù)混，喂入STS35雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出并由切粒機(jī)造粒而成PEEKCF20顆粒，顆粒平均直徑4 mm。將粒料放在空氣流通的干燥箱內(nèi)150 ℃烘干3 h，烘干時(shí)粒料應(yīng)平鋪在干凈的盤子內(nèi)，平鋪高度不超過2 cm。尤其注意保證原料在整個(gè)過程中的純凈、防止污染。擠出機(jī)和注塑機(jī)使用前應(yīng)用同種原料清洗。試片和進(jìn)氣道成型模具應(yīng)用汽油或丙酮處理并涂刷脫模劑。

力學(xué)性能試片的制備：裝配注塑機(jī)和平板試片成型模具，調(diào)節(jié)設(shè)備至運(yùn)行正常。設(shè)置工藝參數(shù)參考料筒溫度380～405 ℃、模具溫度150～200 ℃，注塑壓力100～130 MPa，鎖模壓力110～140 MPa，保壓80～100 MPa，中速冷卻，將PEEKCF20顆粒料注入模具。

進(jìn)氣道的制備：裝配注塑機(jī)和進(jìn)氣道成型模具，調(diào)節(jié)設(shè)備至運(yùn)行正常。設(shè)置工藝參數(shù)參考料筒溫度380～405 ℃、模具溫度150～200 ℃，注塑壓力100～130 MPa，鎖模壓力110～140 MPa，保壓80～100 MPa，中速冷卻，將PEEKCF20顆粒料注入模具。

1.3 測試

材料試片拉伸性能按GB/T 1447—2005 測試，沖壓式剪切強(qiáng)度按GB/T 1450.2—2005 測試，樣品8 個(gè)取平均值。拉伸斷口采用HITACHI S-4800 型掃描電子顯微鏡觀察形貌。進(jìn)氣道進(jìn)行X-CT 無損檢測，內(nèi)型面精度采用接觸式三坐標(biāo)檢測儀檢測。

2 結(jié)果分析

2.1 纖維長度對PEEKCF20復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

選取纖維長度分別為2～4 mm、4～6 mm 的聚醚酰亞胺型上漿劑碳纖維（質(zhì)量份數(shù)20%）增強(qiáng)聚醚醚酮的兩組材料試片并測定其力學(xué)性能，每組測試8個(gè)試片的力學(xué)性能，取平均值。測試結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，纖維長為2～4 mm 的PEEKCF20 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、沖壓式剪切強(qiáng)度分別為158 MPa、10.2 GPa、75 MPa，纖維長度為4～6 mm 的PEEKCF20復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、沖壓式剪切強(qiáng)度分別為209 MPa、16.8 GPa、100 MPa，纖維長度為4～6 mm的三項(xiàng)力學(xué)性能更優(yōu)。

PEEKCF20 復(fù)合材料拉伸或沖壓破壞時(shí)由于纖維從基體中拔出而吸收外加載荷的能量。由于纖維越長，拔出時(shí)需要的能量越多，強(qiáng)度因此提高。同時(shí)由于碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的復(fù)合材料中纖維越長則根數(shù)越少，纖維端部引起的應(yīng)力缺陷越少，材料破壞也相對較難。由此宏觀表現(xiàn)為纖維長度4～6 mm 的PEEKCF20 復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)于2～4 mm 的PEEKCF20復(fù)合材料。

與純PEEK樹脂相比（拉伸強(qiáng)度97 MPa，拉伸模量2.8 GPa［2］），4～6 mm碳纖維的添加提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能40%以上，進(jìn)一步提高進(jìn)氣道的力學(xué)強(qiáng)度性能。

2.2 上漿劑對PEEKCF20復(fù)合材料界面性能的影響

不同上漿劑的PEEKCF20 試片拉伸斷口形貌見圖4。由圖4（a）可以看到復(fù)合材料斷面規(guī)整，碳纖維在樹脂基體中分布均勻，在注塑過程中由于流體動(dòng)力原理碳纖維趨于垂直端面排列。由于碳纖維的加入將基體分割，從而在斷裂過程中表現(xiàn)出了無鏡面區(qū)和平滑區(qū)。除了有碳纖維的隔斷，整個(gè)斷口大部分區(qū)域仍然表現(xiàn)為解理特征，即斷口表現(xiàn)出平坦的臺(tái)階，只是該斷口上的平坦臺(tái)階較小。由圖4（b）可以看到纖維表面包裹著部分樹脂，說明碳纖維與樹脂基體結(jié)合緊密，聚醚酰亞胺型上漿劑的活性基團(tuán)增加了碳纖維與樹脂基體的作用，有助于提高復(fù)合材料力學(xué)性能［3］。由圖4（c）和（d）采用環(huán)氧樹脂型上漿劑的PEEKCF20 復(fù)合材料斷面形貌看出，碳纖維與基體產(chǎn)生明顯的脫粘現(xiàn)象，纖維被拔出基體而出現(xiàn)孔洞，纖維與基體的界面結(jié)合力較差。不同的樹脂基體應(yīng)匹配對應(yīng)的上漿劑，聚醚酰亞胺型上漿劑匹配熱塑性樹脂，適用于聚乙烯、聚丙烯、聚醚醚酮這類熱塑性樹脂。

2.3 注塑工藝對進(jìn)氣道內(nèi)部質(zhì)量的影響

采用聚醚酰亞胺型上漿劑、4～6 mm的PEEKCF20顆粒料在不同的注塑工藝參數(shù)下成型進(jìn)氣道產(chǎn)品。（a）料筒溫度400 ℃、模具溫度180 ℃，注塑壓力130 MPa，鎖模壓力120 MPa，保壓100 MPa，中速冷卻。（b）料筒溫度420 ℃、模具溫度220 ℃，注塑壓力130 MPa，鎖模壓力120 MPa，保壓100 MPa，快速冷卻。

利用X-CT 對進(jìn)氣道整體進(jìn)行了無損檢測，照片見圖5。CT 照片上白色區(qū)域?yàn)镻EEK 樹脂，白色區(qū)域內(nèi)分布的暗色斑點(diǎn)為碳纖維，黑色孔洞為材料內(nèi)部氣泡。由照片可以看到（a）組在推薦的工藝參數(shù)范圍內(nèi)注塑，碳纖維在樹脂基體中分布均勻，進(jìn)氣道本體材料致密，內(nèi)部缺陷較少。（b）組料筒溫度、模具溫度、冷卻速度均高于推薦參數(shù)，成型的進(jìn)氣道內(nèi)部孔洞較多，存在內(nèi)部缺陷。這是因?yàn)榱贤?、模具溫度高，聚醚醚酮過度溶化、黏度降低，極易混入空氣，在快速冷卻條件下，聚醚醚酮固化時(shí)內(nèi)部空氣來不及排出形成，因此注塑時(shí)應(yīng)針對材料、制品形狀大小設(shè)置合適的工藝參數(shù)。

2.4 三坐標(biāo)

檢測上述內(nèi)部缺陷少的進(jìn)氣道內(nèi)型面的十個(gè)垂直面和兩個(gè)水平面，共計(jì)十二個(gè)截面。見圖6。每個(gè)截面周向取點(diǎn)不少于8點(diǎn)，將每個(gè)截面偏差最大點(diǎn)列于表1中。最大偏差在0.25 mm 內(nèi)，精度較高。內(nèi)型面精度高有利于提升供給發(fā)動(dòng)機(jī)的來流總壓。

表1 三坐標(biāo)檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Three coordinates testing

3 結(jié)論

與純PEEK樹脂相比（拉伸強(qiáng)度97 MPa，拉伸模量2.8 GPa［4］），碳纖維的添加提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能40%以上。選用聚醚酰亞胺型上漿劑處理的碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，注塑成型后碳纖維在樹脂基體中分布均勻，與基體結(jié)合性良好。采用推薦的注塑工藝參數(shù)：料筒溫度380～405 ℃、模具溫度150～200 ℃，注塑壓力100～130 MPa，鎖模壓力110～140 MPa，保壓80～100 MPa，中速冷卻。典型的在料筒溫度400 ℃、模具溫度180 ℃，注塑壓力130 MPa，鎖模壓力120 MPa，保壓100 MPa，中速冷卻條件下注塑成型的進(jìn)氣道本體材料致密，內(nèi)部缺陷少，且型面精度高。