摘 要 本文以解決航空產(chǎn)品中常見的壁板類復(fù)合材料零件在制造過程中存在的質(zhì)量缺陷為出發(fā)點，研究了多種工藝方法手段，優(yōu)化了包括0°纖維制備及填充方法、工裝結(jié)構(gòu)、熱隔膜預(yù)成型工藝、膠膜及預(yù)浸料的固化工藝等技術(shù)。通過對工藝方法的一系列改進，驗證原材料樹脂的流動度，改善了零件內(nèi)部分層、空隙和脫粘等一系列壁板制造過程中的缺陷問題及零件表面質(zhì)量。最終，達到了提高復(fù)合材料壁板制造質(zhì)量，符合檢測要求，滿足裝配使用需求的目的。

關(guān)鍵詞 工型長桁;熱隔膜;樹脂流動度;預(yù)浸料

Process Improvement of Forming Quality Defects

of Panel Composite Parts

CHENG Yu， ZHAO Lili， MA Mihui

（AVIC Shenyang Aircraft Industry （Group） Co.， Ltd.， Shenyang 110850）

ABSTRACT In order to solve the quality defects in the manufacturing process of panel composite material parts commonly used in aviation products， this paper studies a variety of technological methods， and optimizes technologies including 0 fiber preparation and filling method，tooling structure， hot diaphragm preform process， curing process of adhesive film and prepreg.Through a series of improvements to the process method， the fluidity of raw material resin was verified， and a series of defects in the manufacturing process of panel， such as delamination，void and debonding， and the surface quality of the parts was improved. Finally， the purpose of improving the manufacturing quality of composite panel， meeting the testing requirements and meeting the assembly and use requirements is achieved.

KEYWORDS I-stringer; thermal diaphragm; resin fluidity; prepreg

1 引言

復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其比強度和比模量高、耐疲勞性能優(yōu)異、破損安全性好、性能可設(shè)計性高［1］，因此廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)。而復(fù)合材料加筋壁板已被廣泛應(yīng)用于大型飛機的翼面結(jié)構(gòu)［2-4］，從前緣和活動面等次承力構(gòu)件逐步發(fā)展到盒段主承力結(jié)構(gòu)，如B787飛機和A350飛機均采用了全復(fù)合材料機翼。

大型飛機復(fù)合材料機翼的壁板尺寸大，往往采用自動鋪帶、共膠接整體成型等先進工藝，強調(diào)設(shè)計制造一體化，而壁板的長桁-蒙皮匹配對固化變形等成型問題影響顯著，必須在設(shè)計過程中著重考慮。同時，大型飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強調(diào)損傷容限設(shè)計，尤其是機翼壁板結(jié)構(gòu)，在使用過程中容易受到各類沖擊損傷，要求復(fù)合材料壁板的長桁-蒙皮結(jié)構(gòu)匹配良好，在沖擊能量作用下，不會發(fā)生長桁-蒙皮分層脫粘等影響結(jié)構(gòu)使用的嚴(yán)重?fù)p傷，從而保證壁板具有良好的損傷容限性能［5-11］。

目前，國內(nèi)在壁板類零件的制造工藝方法尚未完全成熟，可操作性偏差，工藝穩(wěn)定性也有待提到，這給一線實際生產(chǎn)帶來了不小的困擾。因此，急需開展對此類復(fù)合材料成型工藝開展優(yōu)化提升研究。

2 問題描述

目前，復(fù)合材料壁板類零件多為縱向加筋結(jié)構(gòu)，壁板蒙皮固化后與長桁采用膠膜進行二次膠接固化成型工藝。長桁多采用手工鋪疊形成坯料，坯料預(yù)壓實后進行手工修整，組合，最后與固化后的蒙皮進行膠接固化。長桁坯料具有一定的厚度，在手工“彎型”過程中，長桁外表面易形成延長桁軸線方向的褶皺。長桁鋪疊完成后采用熱壓罐預(yù)成型工藝，在長桁熱壓罐預(yù)成型過程中，由于長桁預(yù)成型工裝為金屬材質(zhì)，金屬與非金屬的膨脹系數(shù)存在很大差異，金屬的膨脹系數(shù)要遠(yuǎn)高于復(fù)合材料，因此長桁在預(yù)吸膠過程中工裝的膨脹收縮，會使長桁膠接表面形成垂直于長桁方向的褶皺，而這些褶皺在長桁膠接固化過程中不易被消除。已形成的褶皺需要通過材料本身的延展性及樹脂流動進行彌補，若材料本身延展性及樹脂流動度較好，會將一部分的褶皺進行填充，若樹脂流動度較差，褶皺未能填充，就會影響長桁固化后表面質(zhì)量及長桁內(nèi)部質(zhì)量，造成長桁表面凹坑，褶皺，長桁內(nèi)部分層、空隙等缺陷。長桁與蒙皮是通過膠膜進行膠接固化的，環(huán)境濕度對膠膜的影響很大，若膠膜未能充分的回暖除濕，長桁與蒙皮膠接固化過程中，膠膜與材料樹脂之間易發(fā)生爆聚反應(yīng)，造成長桁臥邊脫粘缺陷。本文從原材料、工裝、操作、參數(shù)幾方面進行優(yōu)化整個工藝流程，改善復(fù)合材料壁板表面質(zhì)量，從而解決長桁內(nèi)部分層、空隙、脫粘等問題，如圖1所示。

3 解決方案

3.1 優(yōu)化0°纖維制備及填充方法

工型長桁一般由立邊、臥邊和上彎邊三部分組成，長桁制備時左、右立邊與臥邊之間有一楔形區(qū)域，該區(qū)域需要使用0°纖維束填充，具體位置如圖2所示。

0°纖維束長度參照長桁長度，寬度計算方法如公式（1）所示。

0.43×R2d=L（1）

式中：d為預(yù)浸料單層固化厚度；R為預(yù)浸料鋪疊后半徑。

0°纖維填充質(zhì)量對長桁粘接強度至關(guān)重要，對長桁臥邊進行金相分析時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)0°纖維填充不夠充分，填充邊緣存在明顯空隙時，長桁往往會發(fā)生分層缺陷。針對此現(xiàn)象，試驗分別采用滾卷式、鋪層式以及0°纖維擠出設(shè)備制備0°纖維束，分析不同制備方法對長桁內(nèi)部質(zhì)量及微觀結(jié)構(gòu)的影響。

3.1.1 纖維擠出成型

0°纖維擠出成型需要使用纖維成型設(shè)備，該設(shè)備可將盤狀預(yù)浸料制造成長度方向連續(xù)的三角形0°纖維坯料，通過裁切系統(tǒng)將原材料切割成一定帶寬的預(yù)浸料，經(jīng)過送料系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、預(yù)成型系統(tǒng)、成型系統(tǒng)以及分割與牽拉系統(tǒng)，通過拉擠成型方式形成0°纖維坯料，具體形式如圖3所示，按此方法制備的試驗件編號為S-01。

3.1.2 鋪層式制備

鋪層式手工制備將0°纖維先分別裁剪成1 mm、2 mm和4 mm的細(xì)條，按照填充區(qū)域?qū)挾纫来翁畛溥M去，填充過程中需不斷使用壁紙刀等工具進行壓實，按此方法制備的試驗件編號為S-02。

3.1.3 滾卷式制備

滾卷式手工制備是目前實際生產(chǎn)采取的主要工藝方法，此方法需要0°纖維從一側(cè)慢慢滾卷，最后滾成一圓形纖維束，具體形式如圖4所示，按此方法制備的試驗件編號為S-03。

3.1.4 試驗數(shù)據(jù)對比

對試驗件S-01、S-02和S-03進行無損檢測，無損均合格。將試驗件剖切進行金相分析，其內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)如圖5所示。

從金相圖片中可明顯看出，鋪層式制備時0°纖維經(jīng)過層層壓實，尖角空隙被完全填充，因此0°纖維填充區(qū)最飽滿，纖維層間結(jié)合最為緊密。0°纖維擠出設(shè)備制備的0°纖維直接成楔形，與立邊及臥邊相鄰尖角空隙填充較好，但自身層間可見較小空隙。滾卷式手工鋪疊的0°纖維填充后仍存在明顯尖角空隙，填充區(qū)域與相鄰坯料層間結(jié)合力不夠，雖然無損檢測合格，但在后續(xù)使用過程中存在分層隱患。

3.2 優(yōu)化長桁預(yù)成型工藝方法

工型長桁由左右兩側(cè)腹板面組合而成，目前主流的腹板面預(yù)成型方式是手工鋪疊熱壓罐預(yù)成型，先將預(yù)浸料鋪成平板狀，按長桁尺寸將其裁剪成合適寬度鋪疊成平板坯料，并手工彎折至長桁鋪疊模上，如圖6所示，在彎折過程中會在坯料上形成大量褶皺，如圖7所示，而在熱壓罐預(yù)成型過程中由于金屬工裝的膨脹系數(shù)高于坯料，還會產(chǎn)生新的褶皺，這些褶皺會影響后續(xù)組合固化后長桁的內(nèi)部質(zhì)量。

針對此現(xiàn)象，將腹板面預(yù)成型方式改為熱隔膜成型，并降低預(yù)成型溫度。與手工鋪疊方法相比較，熱隔膜成型時坯料彎折可以實現(xiàn)整體加溫加壓，如圖8所示，既避免彎折過程中褶皺的形成，也避免了熱壓罐預(yù)成型過程中形成的褶皺，改善了坯料成型質(zhì)量。

工藝溫度決定著預(yù)浸料層板的層間滑移速率和變形速率，對層板在真空負(fù)壓作用下的整個變形過程有極大影響。本試驗擬通過研究95 ℃、105 ℃、115 ℃不同溫度下制備的C型預(yù)浸料表面質(zhì)量狀況，初步確定熱隔膜成型基本溫度參數(shù)。預(yù)浸料牌號及層板厚度也會直接影響預(yù)成型后表面質(zhì)量，因此以生產(chǎn)常用預(yù)浸料為研究對象，分別試驗預(yù)浸料牌號及厚度對C型預(yù)浸料表面質(zhì)量的影響。以雙馬樹脂預(yù)浸料為例，分別在95 ℃、105 ℃和115 ℃下進行熱隔膜成型，成型后預(yù)浸料表面質(zhì)量如圖9所示?？梢钥闯鰷囟仍?5 ℃時預(yù)浸料表面褶皺較多，105 ℃和115 ℃時表面質(zhì)量較好。

以雙馬樹脂預(yù)浸料為例，在預(yù)浸料坯料層數(shù)分別為9、14、16、20四類情況下進行熱隔膜成型，成型后預(yù)浸料表面質(zhì)量如圖10所示。從圖中可以看出，預(yù)浸料坯料層數(shù)在16層以下時，成型質(zhì)量較為穩(wěn)定，表面褶皺較少，層數(shù)超過16層后，表面褶皺大幅度增加，成型質(zhì)量差。

3.3 成型工裝結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

目前現(xiàn)有長桁成型工裝結(jié)構(gòu)形式如圖11所示，固化時作用到工裝上表面的壓力只提供向下的分力，沒有向內(nèi)的分力，固化時長桁工裝邊緣受壓翹曲，造成臥邊加壓不足，邊緣厚度最厚，易發(fā)生分層缺陷及厚度超差。

針對此問題，將長桁工裝結(jié)構(gòu)形式進行改變，將工裝非工作面兩側(cè)去除部分，結(jié)構(gòu)形式如圖12所示。原有工裝制備的對照試驗件編號為S-04，改型后工裝制備的試驗件編號為S-05。對試驗件S-04和S-05進行無損檢測，無損均合格。改型前后長桁工裝試驗件如圖13和圖14所示。

改型前長桁工裝邊緣翹曲，使得固化后長桁邊緣厚度偏厚，對比改型前后長桁臥邊厚度（圖15上圖為改型前，下圖為改型后），工裝改型前長桁臥邊厚度為2.44 mm，工裝改型后長桁臥邊厚度為2.24 mm，可以看出改型后工裝向內(nèi)的分力，使得長桁臥邊厚度和邊緣富樹脂情況得到明顯改善。

3.4 原材料工藝性能優(yōu)化

3.4.1 優(yōu)化預(yù)浸料工藝狀態(tài)

預(yù)浸料性能指標(biāo)有許多，如樹脂流動度、粘性、揮發(fā)分含量等，本試驗通過跟蹤統(tǒng)計不同批次進行數(shù)據(jù)積累，并根據(jù)數(shù)據(jù)與制件合格率的對應(yīng)關(guān)系，找出材料性能與工藝性能之間的關(guān)系。本試驗對四個批次，每批次五個卷號的預(yù)浸料進行流動度測試，測試溫度為150 ℃，測試結(jié)果如圖16所示。預(yù)浸料流動度與制件合格率對應(yīng)關(guān)系示意如圖17所示。

由圖16和圖17可看出，不同批次預(yù)浸料流動度差異較大，流動度的大小對制件合格率有一定的影響。預(yù)浸料流動性差，固化時制件的內(nèi)部空隙不能被樹脂完全填充，無法消除制件空隙就會有分層缺陷的發(fā)生。

3.4.2 優(yōu)化膠膜工藝狀態(tài)

膠接共固化工藝中膠膜的狀態(tài)成為影響長桁膠接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，試驗選取的膠膜為高溫結(jié)構(gòu)膠粘劑J-116B，從膠膜標(biāo)準(zhǔn)分析，其質(zhì)量受環(huán)境溫濕度影響較大，因此本試驗制備了熱烘干膠膜拉剪試片，膠膜熱烘干參數(shù)為70 ℃，15 min，編號為S-06、S-07；吸濕后膠膜拉剪試片S-08、S-09，S-08是將膠膜全部浸水，S-09是在膠膜表面輕微灑水。熱烘干膠膜和吸濕后膠膜粘接碳纖試驗件，熱烘干膠膜試驗件無損合格，吸濕后膠膜試驗件無損為脫粘，對合格與脫粘試驗件分別進行剖切，剖面示意圖如圖18和圖19所示。

對膠膜拉剪試片進行拉剪強度測試，測試報告如表1所示。

S-06和S-07拉剪強度最小值和平均值均在34-37之間，S-09拉剪強度雖然合格，但測試值僅略高于參考值下線，S-08拉剪強度不合格，平均測試值只有15左右，由此可見膠膜吸濕程度對粘接性能影響明顯，膠膜吸濕度越大，粘接強度越低。

3.5 優(yōu)化固化工藝參數(shù)

3.5.1 取消蒙皮預(yù)吸膠

固化參數(shù)優(yōu)化前壁板預(yù)吸膠的程序設(shè)定為溫度升至125 ℃加壓，在125±5 ℃下保溫10 min后降溫。預(yù)吸膠后的固化程序為：溫度升至70 ℃加壓，繼續(xù)升溫至185 ℃，在185 ℃～190 ℃下保溫固化60 min，再升溫至200 ℃，在200±5 ℃下保溫后處理300 min，降溫。取消預(yù)吸膠直接進行零件的固化，有可能導(dǎo)致零件內(nèi)小分子不能充分排除，從而導(dǎo)致零件內(nèi)部產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。已有研究表明，通過結(jié)合預(yù)浸料粘溫特性曲線，優(yōu)化零件的固化工藝參數(shù)，可以有效改善復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量。取消預(yù)吸膠的固化程序參數(shù)調(diào)整為：在溫度升溫至185 ℃之前，增加125±5 ℃溫度下保溫10 min這一保溫段。

取消預(yù)吸膠、優(yōu)化固化參數(shù)后通過無損檢測對零件內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)測，零件無分層和空隙密集缺陷產(chǎn)生。對零件厚度監(jiān)測，零件厚度可以控制在±8 %。取消零件預(yù)吸膠直接固化，在固化過程中選擇合適的工藝蓋板，可以減少預(yù)吸膠過程中帶來的表面褶皺，從而優(yōu)化零件的表面質(zhì)量。

3.5.2 增加長桁固化壓力促進數(shù)脂流動

預(yù)浸料樹脂流動度是影響預(yù)浸料工藝性能的主要因素。由于國產(chǎn)預(yù)浸料性能指標(biāo)不穩(wěn)定性，更換不同批次預(yù)浸料時可能引起較大的批次性質(zhì)量波動，對生產(chǎn)造成不良影響。因此通過根據(jù)不同批次預(yù)浸料的樹脂流動度，調(diào)整固化參數(shù)。增加固化壓力，可增加固化過程中樹脂流動的流動性，減少由于樹脂流動性差造成的長桁局部貧膠分層缺陷。

4 結(jié)語

本文通過對壁板類復(fù)合材料零件在制造過程中產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷開展工藝研究與改進，優(yōu)化了工藝參數(shù)，對航空產(chǎn)品制造質(zhì)量起到了積極提升的作用，具體結(jié)論如下：

（1）鋪層式制備0°纖維束質(zhì)量最好，0°纖維填充區(qū)最飽滿，纖維層間結(jié)合最為緊密，可大大改善制件0°纖維區(qū)域分層的內(nèi)部質(zhì)量缺陷。

（2）熱隔膜預(yù)成型工藝方法可大大改善制件表面外觀質(zhì)量，減少褶皺的形成，也可避免褶皺帶來的制件內(nèi)部質(zhì)量問題。

（3）新結(jié)構(gòu)的成型工裝可改善制件的邊緣效應(yīng)，減少邊緣分層及厚度超差缺陷。

（4）盡可能選用流動度大于10的預(yù)浸料，可大大提升制件的合格率。

（5）膠膜使用前需進行烘干處理，烘干參數(shù)70 ℃，15 min。

（6）對流動性低于10的預(yù)浸料，調(diào)整固化參數(shù)，增加固化壓力，將組合固化壓力升至900 MPa。對流動性高于10的預(yù)浸料批次，逐步降低組合固化壓力，目前為800 MPa，要按實際制件質(zhì)量對固化參數(shù)進行對應(yīng)微調(diào)。

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