劉 琦，閆恩瑋，田亦瑤，劉向陽，楊紹昌，蔣建軍

(1.中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，陜西，西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

聚甲基丙烯酰亞胺泡沫(PMI)是一種交聯(lián)、閉孔的硬質(zhì)泡沫塑料，孔徑分布均勻一致，吸濕率低、力學(xué)性能為各向同性，在同密度的情況下，具有比其他聚合物泡沫塑料更高的抗壓縮強度和剛度，以及更高的抗高溫蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性[1-3]。

新型復(fù)合材料/泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)是一種采用樹脂基復(fù)合材料作為蒙皮、采用PMI泡沫作為夾芯的夾層結(jié)構(gòu)形式，可以在增加質(zhì)量很小的情況下，大幅度提高結(jié)構(gòu)的剛度，達到減重增強的效果[4-6]。常見的航空復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)有機翼前緣、方向舵、起落架艙門、翼身和翼尖整流罩等。雖然泡沫夾層結(jié)構(gòu)在國外的航天航空器上已使用多年，但國內(nèi)航空領(lǐng)域?qū)λ难芯亢蛻?yīng)用剛剛起步，無論是在材料性能還是工藝研究方面，都還需廣泛、深入地開展工作[7-9]。

本文以某機型復(fù)雜曲面全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)子翼為研究對象，采用蒙皮預(yù)浸料鋪層共固化成型工藝，通過孔隙率檢測、外形檢測、力學(xué)性能檢測的表征手段，系統(tǒng)研究了組合模具對合面間隙、固化壓力數(shù)對泡沫夾層結(jié)構(gòu)零件成型質(zhì)量的影響。

1 泡沫夾層結(jié)構(gòu)成型試驗及方法

1.1 零件結(jié)構(gòu)分析

雙曲率全高度泡沫夾層結(jié)構(gòu)，即由復(fù)合材料蒙皮、泡沫芯材和將蒙皮與芯材連接在一起的膠接層3部分構(gòu)成，在上、下表面均為復(fù)雜雙曲面形面。為滿足泡沫芯夾層組件機械連接的需要，在泡沫芯中增加樹脂基復(fù)合材料盒型件，提高局部抗壓能力，抵抗連接緊固件的預(yù)緊力，滿足緊固件的安裝需求，零件結(jié)構(gòu)及選材示意如圖1所示。

圖1 零件結(jié)構(gòu)及選材示意圖Fig.1 Schematic diagram of part structure and material selection

1.2 成型工藝方案

在本文中，零件的成型工藝選用蒙皮預(yù)浸料鋪層共固化成型工藝，整個工藝流程分為3個步驟：(1)子翼端肋及盒型件預(yù)先固化成型；(2)夾層泡沫芯通過數(shù)控加工成型；(3)泡沫芯與端肋、盒型件通過膠膜膠接成泡沫芯組件。最后，使用膠膜將蒙皮預(yù)浸料鋪層鋪放在泡沫芯上膠接固化成為泡沫夾層結(jié)構(gòu)，成型工藝流程示意圖如圖2所示；膠膜固化過程中的DSC曲線如圖3所示。

圖2 成型工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of molding process

圖3 膠膜DSC曲線(升溫速率10 ℃/min)Fig.3 DSC curve of adhesive film (heating rate 10 ℃/min)

2 零件成型結(jié)果分析

2.1 合模間隙對成型質(zhì)量的影響分析

由于零件的上、下表面均為氣動外形面，為保證成型后表面波紋度等要求，零件的成型模具選用組合模具的方案。在子翼固化成型過程中，上、下模之間形成封閉腔體，罐壓通過真空袋傳遞給上模、再由上模傳遞至鋪層，具體如圖4所示。

圖4 子翼固化過程中壓力傳遞示意圖Fig.4 Schematic diagram of pressure transmission during the curing process of the sub-wing

在進行膠接固化時，在泡沫芯(PMI)表面包裹一層FM300K膠膜，通過高溫條件下膠膜的固化反應(yīng)，實現(xiàn)泡沫芯與蒙皮的粘接。在固化過程中，由于膠膜具有良好的流動性和較小的表面張力，膠膜對泡沫芯表面產(chǎn)生潤濕作用[10]。泡沫芯膠接界面為數(shù)控加工成型，閉孔剛性泡沫通過機械加工形成凹凸不平的峰谷形貌，膠膜在潤濕和鋪展的過程中，起到填平峰谷的作用，從而使得泡沫芯表面和膠膜表面產(chǎn)生大面積接觸，生成物理吸附鍵和次價鍵，如表面發(fā)生化學(xué)吸附，則生成化學(xué)鍵。在膠接過程中，由于膠膜的流淌、浸潤與填充作用，導(dǎo)致膠接界面膠膜的體積變化，進而影響固化過程中內(nèi)腔體體積收縮，造成固化過程中固化壓力的傳遞受阻，影響產(chǎn)品的成型質(zhì)量[11-13]。為保證零件成型過程中固化壓力的有效傳遞，在組合模的對合面預(yù)留0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 mm間隙。零件成型后，剝離泡沫夾層區(qū)域蒙皮進行蒙皮孔隙率試驗，測試方法按照GB/T 3365—1982執(zhí)行；通過外形卡板檢測子翼的外形，試驗方法如圖5所示；試驗結(jié)果如表1所示。

(a)剝離蒙皮

從圖5可以看出，隨著對子翼成型模組合模對合面間隙的增加，子翼的孔隙率及外形偏差均呈現(xiàn)先降低、后增加的趨勢。說明上、下模在沒有合模間隙的情況下，只要模具閉合，形成的確定不變，此時熱壓罐內(nèi)的固化壓力僅由模具承受，無法有效地傳遞到內(nèi)腔的物料上，導(dǎo)致零件成型后蒙皮孔隙率偏高。同時，在(177±5)℃的固化溫度環(huán)境下，上、下鋼材質(zhì)模具由于熱膨脹，形成的內(nèi)腔體積大于理論值，導(dǎo)致子翼成型后整體外形較理論外形呈現(xiàn)上偏差。

表1 子翼蒙皮孔隙率及外形測試結(jié)果Tab.1 Porosity and shape test results of the sub-wing skin

由表1可知，隨著合模間隙的增加，熱壓罐內(nèi)的固化壓力通過上模傳遞至鋪層。由于泡沫芯在高溫固化過程中存在一定的熱收縮，且蒙皮鋪層在固化過程中存在排除殘留氣體、鋪層壓實等行為，當(dāng)合模間隙為0.3、0.6 mm時，合模間隙不足以補償由于泡沫芯熱收縮、蒙皮壓實等行為所帶來的收縮量；當(dāng)合模間隙達到0.9 mm，合模間隙與子翼固化收縮量達到平衡狀態(tài)，固化壓力傳遞最充分，反映到產(chǎn)品的成型質(zhì)量上，蒙皮的孔隙率最低，氣動外形最接近理論值；當(dāng)合模間隙達到1.2、1.5 mm時，由于合模間隙過大導(dǎo)致上模在固化過程中發(fā)行側(cè)向滑移，在腔體內(nèi)形成架橋，阻礙固化壓力的有效傳遞，子翼成型后的蒙皮孔隙率、外形偏差增大。

2.2 固化壓力對成型質(zhì)量的影響分析

泡沫芯由于機械加工，表層會布滿開孔，微觀結(jié)構(gòu)照片如圖6所示。

圖6 泡沫芯機械加工表面微觀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Microstructure diagram of machined surface of foam core

從圖6可以看出，固化過程中，固化壓力是驅(qū)動膠膜潤濕、流動、填充孔隙的驅(qū)動力；當(dāng)泡沫芯表面孔隙填滿后，在外界持續(xù)壓力作用下，面板受壓不變，保證了面板與泡沫芯的膠接質(zhì)量。因此，固化壓力的高低將直接影響到夾層結(jié)構(gòu)的膠接質(zhì)量，開展在不同固化壓力下的膠接性能的系統(tǒng)研究是十分必要的。

在本文中，泡沫夾層結(jié)構(gòu)膠接界面的膠接性能通過夾層試板的強度性能試驗進行表征。試板的面板選用與子翼蒙皮相同的CYCOM 970/PWC T300 3K UT碳纖維織物預(yù)浸料，泡沫芯層為Rohacell 71WF-HT，膠膜為FM300K，面板鋪層為[-45°/90°/45°/0°]s。夾層試板試驗件分為2組，分別按照0.2、0.3 MPa壓力固化，夾層試板測試項目及測試方核校法如表2所示；測試結(jié)果如表3所示。

表2 夾層試板測試項目及測試方法匯總[17]Tab.2 Summary of test items and methods of sandwich test panel

由表3可知，在2種固化壓力下，夾層試板的剪切強度及平面拉伸強度基本一致，說明在固化(177±5)℃的溫度下，0.2、0.3 MPa存在固化壓力的差異，對于泡沫芯自身的力學(xué)性能并沒有產(chǎn)生影響，且試樣的破壞均發(fā)生在泡沫芯層。這表明在2種固化壓力下，面板與泡沫芯的膠接強度均大于泡沫芯自身強度。泡沫夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能主要以彎曲性能來表征，從表3還可以看出，在不同的固化壓力下，試樣的彎曲強度實測值基本一致；此外，泡沫夾層結(jié)構(gòu)彎曲強度測試的結(jié)果一般分為芯材破壞和面板屈曲破壞2類[18]。在本文中試樣破壞表現(xiàn)為芯材破壞，是一種理想的破壞模式，說明0.2、0.3 MPa的固化壓力對于泡沫夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度影響可忽略。

表3 夾層試板強度測試結(jié)果Tab.3 Strength test results of sandwich panel

從表3還可以看出，在0.3 MPa的固化壓力下，試樣的滾筒剝離強度均值達到15.71 MPa，明顯高于0.2 MPa固化壓力下14.67 MPa的實測均值。另外，通過光學(xué)顯微鏡對2種固化壓力下膠接界面情況進行觀察，結(jié)果如圖7和表4所示。

圖7 不同壓力膠接層微觀形貌Fig.7 Micromorphology of bonding layer under different pressure

表4 不同壓力膠接層微觀情況Tab.4 Microstructure of bonding layer under different pressure

在0.2 MPa固化壓力下，膠接層整體較薄，且內(nèi)部存在孔隙，孔隙最大尺寸可達0.27 mm；在0.3 MPa固化壓力下，膠接層厚度有所增加，且內(nèi)部孔隙數(shù)量和尺寸有所下降。說明在0.3 MPa的固化壓力下，固化過程中膠膜具有更好的流動特性，在膠膜對泡沫芯材表面進行浸潤、填充后，膠接界面內(nèi)部孔隙的生成受到了顯著抑制，較高的固化壓力使得面板與泡沫芯材結(jié)合的更緊密，泡沫芯膠接界面的粘接強度更高。綜合上述考量，在子翼成型固化過程中，固化壓力選用0.3 MPa。

3 結(jié)語

(1)對于雙曲率復(fù)雜曲面的泡沫夾層結(jié)構(gòu)零件，選用上、下合模的模具結(jié)構(gòu)，可穩(wěn)定保證零件成型后的表面及外形質(zhì)量，滿足零件的批生產(chǎn)要求；

(2)上、下模具對合面預(yù)留0.9 mm間隙，可滿足零件固化過程中的壓力傳遞需求，零件成型后孔隙率小于1.2%，外形控制在±0.6 mm；

(3)泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)高溫固化成型的最佳固化壓力為0.3 MPa。