摘 要 本文對大比例芯-板比的混合夾芯復(fù)合材料陰模成型工藝進(jìn)行了研究，以解決該產(chǎn)品R角內(nèi)部缺陷、泡沫芯材塌陷的產(chǎn)品質(zhì)量問題，將該產(chǎn)品的R角結(jié)構(gòu)進(jìn)行了切割打磨，使用光學(xué)顯微鏡觀察并分析了陰R角中典型的缺陷結(jié)構(gòu)。開展了預(yù)浸料對比試驗(yàn)、R角輔助壓實(shí)工裝對比試驗(yàn)、蜂窩穩(wěn)定化試驗(yàn)來分析缺陷產(chǎn)生的原理，探索消除R角內(nèi)部缺陷的方法。此外，還研究了泡沫芯材在常用的復(fù)合材料成型工藝參數(shù)下的壓縮變形情況，探索出了對泡沫進(jìn)行密封保存以及增加保護(hù)蓋板厚度的方法來解決其塌陷變形的問題。通過以上研究形成了大比例芯-板比的混合夾芯復(fù)合材料陰模成型的優(yōu)化工藝方法，解決了該產(chǎn)品R角內(nèi)部缺陷和泡沫塌陷的問題。

關(guān)鍵詞 夾芯復(fù)合材料；混合芯材；大比例芯-板比；陰模成型

Research on the Manufacturing Process with Female Mold

of Mixed Sandwich Composite Materials with High

Core to Laminate Ratio

GU Xuelin， MA Mihui， MENG Qingjie， WANG Zhaojun， XU Qingshi

（AVIC Shenyang Aircraft Company Limited， Shenyang 110850）

ABSTRACT In order to solve the product quality problems of R-angle internal defect and foam core material concavity， this paper studies the manufacturing process with female mold of mixed sandwich composite material with large core to laminate ratio. This paper observed and analyzed the typical structures of R-angle defect which in the cutted and polished R-angle area using an optical microscope. Afterwards， this paper conducted comparative experiments on prepreg， on R-angle assisted compaction mold， and honeycomb stabilization experiments to analyze the principles of defect generation and explore methods for eliminating internal defects in R-angle. In addition， this paper also studied the compression deformation of foam core material under the commonly used composite molding pressure， and explored the method of vacuum bagging the foam core and increasing the thickness of the protective shell to solve the problem of its concave deformation. Through the above research， this paper has formed an optimized process for manufacturing mixed sandwich composite materials with large core to laminate ratio using the female mold， and eliminated the internal defects of the R-angle， solved the problem of the concave deformation of foam core.

KEYWORDS sandwich composite materials; mixed core materials; high ratio of core to laminate; forming with female mold

1 引言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，飛行器對結(jié)構(gòu)重量和耐久性的要求愈發(fā)苛刻，在追求高強(qiáng)度的同時(shí)，結(jié)構(gòu)既要輕，還要滿足耐久性的要求。碳纖維復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)度、高的比模量、良好的耐腐蝕性、優(yōu)異的耐疲勞性等優(yōu)點(diǎn)而成為設(shè)計(jì)員的首選材料。尤其是蜂窩、泡沫等夾芯復(fù)合材料制件可以大大的降低零組件的重量［1-3］。芯材結(jié)構(gòu)占據(jù)的比例越大，零組件重量降低的就越多。不僅如此，夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件的蒙皮主要承受彎曲變形引起的應(yīng)力，而芯子則主要承受剪應(yīng)力，此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料是一種更優(yōu)異的結(jié)構(gòu)形式［4-5］。由于蜂窩、泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的優(yōu)異性能，目前已大量在飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船和航天飛機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用［6-8］。夾芯結(jié)構(gòu)是一種有廣闊發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)形式，適合用于復(fù)合材料制造。大比例芯-板比的混合夾芯復(fù)合材料結(jié)合了該類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料80 %的結(jié)構(gòu)特性和制造難點(diǎn)。本文研究成果對夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制造提供有效的參考。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

某新研大比例芯-板比的混合夾芯復(fù)合材料產(chǎn)品為蜂窩、泡沫混合夾芯類復(fù)合材料。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。產(chǎn)品整體呈三角形，其截面為C形結(jié)構(gòu)，外形為多曲率變化的曲面。其中產(chǎn)品腹板區(qū)域86 %的面積為芯材所覆蓋，是典型的大比例芯-板比結(jié)構(gòu)夾芯復(fù)合材料。該產(chǎn)品的芯材由過拉伸蜂窩和泡沫拼接而成，其中蜂窩位于兩端，泡沫位于兩塊蜂窩中間。芯材邊緣距離產(chǎn)品R角邊緣僅有15 mm的間距，產(chǎn)品外R尺寸僅有R5大小，內(nèi)R尺寸僅有R3大小。產(chǎn)品制造的典型工藝流程如圖2所示，其中固化封裝示意圖如圖3所示。

2.2 R角缺陷分析與應(yīng)對措施研究

2.2.1 R角缺陷結(jié)構(gòu)剖析

使用超聲波檢測設(shè)備對產(chǎn)品R角區(qū)域的缺陷進(jìn)行定位、標(biāo)記，將缺陷區(qū)域切割成如圖4所示的觀察樣塊。使用磨拋機(jī)打磨樣塊的R角端面直至端面的纖維截面清晰可見，并無明顯的打磨劃痕。將樣塊固定在觀察平板上，并用壓平設(shè)備將樣塊的觀察端面進(jìn)行水平校正。在光學(xué)纖維經(jīng)下觀察樣塊端面的缺陷位置和形狀。通過對40多個(gè)樣塊的剖面觀察，得到了R角內(nèi)部缺陷的典型結(jié)構(gòu)，如圖4所示。R角內(nèi)部缺陷集中于產(chǎn)品的內(nèi)、外蒙皮之間，缺陷為孔狀，部分缺陷內(nèi)部被樹脂填充、部分缺陷內(nèi)部未被樹脂填充。

通過對缺陷形態(tài)和位置的分析，結(jié)合產(chǎn)品的成型流程，本文分析缺陷產(chǎn)生的原因有以下幾種可能：

（1）預(yù)浸料樹脂工藝性差、或預(yù)浸料含膠量低，無法完全填充纖維織物緯向紗與經(jīng)向紗交叉點(diǎn)處的孔隙；

（2）該產(chǎn)品的成型工裝為陰模結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品固化時(shí)R角處所承受的固化壓力低于腹板區(qū)和緣條區(qū)的壓力，固化過程中樹脂反應(yīng)生成的揮發(fā)物、氣體等容易富集在R角處無法排出；

（3）蜂窩為過拉伸蜂窩，其尺寸穩(wěn)定性差。在固化過程中蜂窩受熱、受壓后產(chǎn)生收縮從而帶動內(nèi)蒙皮預(yù)浸料滑移，造成R角出現(xiàn)空隙。

針對以上分析結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了預(yù)浸料對比試驗(yàn)、R角輔助壓實(shí)工裝對比試驗(yàn)、蜂窩穩(wěn)定化試驗(yàn)，以探索缺陷產(chǎn)生的根本原因，制定對應(yīng)的解決措施。

2.2.2 R角缺陷產(chǎn)生機(jī)理驗(yàn)證

2.2.2.1 預(yù)浸料對比試驗(yàn)

本文所研究的大比例芯-板比的混合夾芯復(fù)合材料所采用的碳纖維原材料為某牌號的織物預(yù)浸料。為了驗(yàn)證預(yù)浸料含膠量對產(chǎn)品R角內(nèi)部質(zhì)量的影響，本文選取了不同含膠量的預(yù)浸料來分別進(jìn)行產(chǎn)品制造，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，不同含膠量的預(yù)浸料制備的產(chǎn)品在外觀質(zhì)量、外形尺寸及內(nèi)部質(zhì)量上沒有明顯差異，R角仍存在內(nèi)部質(zhì)量缺陷。對缺陷區(qū)域取樣進(jìn)行剖面微觀觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷位置與形態(tài)仍與前文所述的典型缺陷形態(tài)相似，說明預(yù)浸料含膠量這一因素并不是R角產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的主要原因所在。

2.2.2.2 R角輔助壓實(shí)工裝對比試驗(yàn)

由于陰模成型工裝所制造的產(chǎn)品，其R角處所承受的固化壓力要低于腹板區(qū)和緣條區(qū)所承受的固化壓力。為了改善R角處的壓力傳遞，排出R角處多余的氣體，使坯料更加的緊密，本文自制了幾種結(jié)構(gòu)的R角輔助壓實(shí)工裝。包括橡膠彈性輔助工裝、橡膠夾雜纖維輔助工裝、復(fù)合材料輔助工裝，利用這些輔助工裝做了局部產(chǎn)品的驗(yàn)證試驗(yàn)。為了提高輔助工裝與產(chǎn)品型面的配合度，本文自制了與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相同的工藝件，上述輔助工裝均在工藝件表面完成制造。輔助工裝實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由本組對比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，采用R角輔助壓實(shí)工裝可以增加R角處的壓力傳遞，從而排出R角區(qū)富集的氣孔。本組對比試驗(yàn)中三種結(jié)構(gòu)的R角輔助壓實(shí)工裝中，橡膠彈性輔助工裝所制造出的試驗(yàn)件R角缺陷數(shù)量不但有所降低，其外表面也無明顯的富樹脂。說明橡膠彈性輔助工裝既有優(yōu)異的壓力傳遞性能，又能與坯料的型面保持良好的匹配性。而在內(nèi)部夾雜纖維的橡膠輔助工裝，雖然試驗(yàn)件R角內(nèi)部缺陷數(shù)量也有所降低，但是外表面R角卻出現(xiàn)了富樹脂現(xiàn)象。纖維的添加增加了橡膠輔助工裝的硬度，從而降低了其與試驗(yàn)件型面的匹配度。而完全由碳纖維預(yù)浸料制造的輔助工裝，其剛性太大從而無法與試驗(yàn)件型面相配合，導(dǎo)致R角內(nèi)部的仍存在較多缺陷。從本組對比試驗(yàn)可知，合適結(jié)構(gòu)的R角輔助壓實(shí)工裝可以增加R角處的壓力傳遞，從而降低缺陷數(shù)量。但是，保證R角輔助壓實(shí)工裝足夠的韌性是十分重要的，特別是對于型面復(fù)雜的產(chǎn)品而言。

2.2.2.3 蜂窩穩(wěn)定化試驗(yàn)

本文研究的大比例芯-板比的混合夾芯復(fù)合材料采用的蜂窩為過拉伸蜂窩，該蜂窩熱穩(wěn)定性差，加熱、加壓后容易收縮。在本產(chǎn)品的蜂窩泡沫拼接過程中曾發(fā)現(xiàn)，蜂窩在拼接前后發(fā)生了目視可見的尺寸收縮。經(jīng)測量，最大的收縮量曾經(jīng)達(dá)到了10 mm。此時(shí)，若將蜂窩放置16 h左右的時(shí)間，收縮的蜂窩還會有一定的回彈，回彈量最大可達(dá)5 mm。由此可見，此產(chǎn)品所采用的過拉伸蜂窩尺寸穩(wěn)定性差，加熱、加壓后其收縮量大。

考慮到蜂窩的收縮特性，本文嘗試在產(chǎn)品固化前對蜂窩進(jìn)行穩(wěn)定化處理。在以往的蜂窩穩(wěn)定化經(jīng)驗(yàn)中，通常是采用膠膜對蜂窩進(jìn)行包裹，在成型模具的支撐下完成膠膜的固化，此時(shí)相當(dāng)于給柔性的蜂窩外面粘接了一層剛性的外殼。但是，此種穩(wěn)定化的代價(jià)是顯著增加產(chǎn)品的重量，失去了夾芯復(fù)合材料減重的設(shè)計(jì)初衷。同時(shí)，本文所研究的產(chǎn)品本身已達(dá)到了設(shè)計(jì)重量的上限了，因此不能采用膠膜包裹蜂窩固化的穩(wěn)定化方式。因此本文嘗試優(yōu)化工藝流程，在鋪放蜂窩泡沫后、內(nèi)蒙皮鋪疊前增加一次加熱流程，在內(nèi)蒙皮第一層預(yù)浸料鋪疊完成后再增加一次加熱流程。優(yōu)化后的工藝流程如圖6所示。每一次加熱后，都要盡快完成內(nèi)蒙皮預(yù)浸料的鋪疊。加熱的目的是使蜂窩在產(chǎn)品坯料上提前完成收縮，而盡快完成內(nèi)蒙皮鋪疊的目的是在蜂窩回彈前利用預(yù)浸料層間的粘合力將蜂窩的尺寸固定。

通過上述蜂窩穩(wěn)定化處理制造的產(chǎn)品試驗(yàn)件，經(jīng)檢測R角的內(nèi)部缺陷已消失。說明蜂窩收縮帶動預(yù)浸料滑移，是本產(chǎn)品R角產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的最主要原因。而在制造過程中增加產(chǎn)品加熱的方法可以有效解決此類問題。

2.3 泡沫穩(wěn)定性試驗(yàn)

在以往的大比例芯-板比的混合夾芯復(fù)合材料制造過程中，為了提高產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量，通常會在材料規(guī)范范圍內(nèi)提高固化壓力，但是由此帶來的結(jié)果是泡沫芯材的局部塌陷［9-10］。為了保證產(chǎn)品的外形尺寸，本文對泡沫芯材的抗壓性能進(jìn)行了研究。

將泡沫切割成150 mm×150 mm×100 mm（長×寬×厚）的樣塊，A組樣塊在熱壓前室溫暴露不同的時(shí)長，B組樣塊不經(jīng)歷室溫暴露直接進(jìn)行熱壓，通過試驗(yàn)前后試塊的厚度值來評判泡沫的抗壓性能。試驗(yàn)條件和結(jié)果如表3所示。

由表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，泡沫在不同時(shí)長的室溫暴露條件下，泡沫的厚度沒有發(fā)生變化。在對泡沫施加0.25 MPa、0.3 MPa和0.35 MPa的熱壓力下，泡沫在厚度方向上發(fā)生了不同程度的壓縮，最大壓縮量約為65 %。

鑒于表3的試驗(yàn)結(jié)果，將上述的試驗(yàn)樣塊進(jìn)行了第二次的試驗(yàn)測試。即在上述測試后，對試驗(yàn)樣塊再次施加不同的熱壓力，以驗(yàn)證泡沫在一定的預(yù)處理?xiàng)l件后，其在厚度方向上的抗壓性能。我們將A組樣塊和B組樣塊在長度方向上進(jìn)行切割，將其分割為大小相同的兩塊試塊，分別進(jìn)行第二組對比試驗(yàn)。第二組對比試驗(yàn)的測試條件和結(jié)果如表4所示。

通過表4數(shù)據(jù)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，泡沫樣塊在經(jīng)歷過一次熱壓后，再次經(jīng)歷第二次熱壓時(shí)試樣在厚度方向上仍會有一定程度的壓縮變形，并且壓力越大，變形也越大。結(jié)合表3的結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，泡沫經(jīng)歷室溫暴露后熱壓的變形量更大。通過上述的兩組試驗(yàn)，本文驗(yàn)證出某牌號的泡沫在夾層復(fù)合材料產(chǎn)品常用的固化壓力范圍內(nèi)（0.25 MPa～0.3 MPa）會產(chǎn)生不同程度的壓縮變形。隨著固化壓力的增加，泡沫的壓縮變形量也隨之增加。此外，室溫暴露會降低泡沫的抗壓性能。

鑒于以上試驗(yàn)結(jié)果，降低固化壓力雖然能夠降低泡沫的壓縮變形量，但是產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量也會隨之降低。因此，降低固化壓力不是解決泡沫變形的有效途徑。為了解決本產(chǎn)品制造過程中泡沫塌陷而引起的產(chǎn)品外形變形，本文嚴(yán)格控制使用過程中泡沫的保存條件。泡沫開封后要立即進(jìn)行蜂窩、泡沫拼接，拼接后的芯材需立即密封在真空袋內(nèi)真空保存。同時(shí)增加蜂窩泡沫保護(hù)蓋板厚度，將制造蓋板用的玻璃布層數(shù)由原來的3層增加為5層，增加蓋板的剛度以對泡沫起到支撐保護(hù)的作用。通過以上措施，泡沫的壓縮變形量大大減小，產(chǎn)品的外形變形量也可控制在制造公差范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

本文通過對大比例芯-板比的混合夾芯復(fù)合材料R角內(nèi)部缺陷、泡沫芯材抗壓性能的研究，得出以下結(jié)論：

（1）過拉伸蜂窩尺寸穩(wěn)定性較差，受熱、受壓后會產(chǎn)生收縮；

（2）R角內(nèi)部缺陷是由于蜂窩收縮并帶動預(yù)浸料滑移引起的；

（3）在鋪放芯材后，增加兩次產(chǎn)品加熱可以有效消除R角內(nèi)部缺陷；

（4）使用彈性的R角輔助壓實(shí)工裝可以提高產(chǎn)品R角的內(nèi)、外質(zhì)量；

（5）泡沫的抗壓性能差，受熱壓后會產(chǎn)生壓縮變形；

（6）室溫暴露后會增加泡沫的受壓壓縮量約10 %～15 %。

（7）對拆封后的泡沫采用真空密封保存，同時(shí)增加保護(hù)蓋板的厚度可以有效降低泡沫的壓縮變形，從而保證產(chǎn)品外形尺寸合格。

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