關(guān)鍵詞：統(tǒng)計(jì)法；缺陷；Darcy定律；措施

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ342+.94；TB332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0069-04

復(fù)合材料C型梁成型過(guò)程由于受復(fù)合材料纖維增強(qiáng)體各向異性、樹(shù)脂基體固化收縮、成型參數(shù)設(shè)置不合理以及模具與預(yù)浸料熱膨脹系數(shù)存在差異等多種復(fù)雜因素影響，導(dǎo)致固化后的零件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而形成分層和孔隙密集內(nèi)部缺陷及纖維褶皺外部缺陷，這些缺陷對(duì)梁力學(xué)性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大負(fù)面影響。針對(duì)復(fù)合材料制件制造過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型，如孔隙和纖維褶皺層內(nèi)缺陷，并對(duì)缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為層疊和真空過(guò)程對(duì)孔隙產(chǎn)生具有顯著影響[1]；認(rèn)為制件厚度、半徑及厚度變化梯度是產(chǎn)生分層和孔隙密集的重要因素[2]；分別采用真空袋和熱壓機(jī)工藝方法，通過(guò)層板缺陷實(shí)驗(yàn)分析孔隙形成原因及影響因素，以Kardos氣泡模型驗(yàn)證固化壓力的增大對(duì)抑制缺陷具有決定性影響[3]。

本文以熱壓罐成型的近30件T800級(jí)復(fù)合材料C型梁為樣本，采用統(tǒng)計(jì)法分析常見(jiàn)缺陷種類(lèi)，揭示缺陷產(chǎn)生機(jī)理，形成有效控制措施，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料C型梁“零缺陷”，為復(fù)雜曲率零件完整性的精確評(píng)價(jià)提供支撐。

1缺陷種類(lèi)及占比分析

本文篩選采用陽(yáng)模制造的復(fù)合材料C型梁，以缺陷占比較高的分層、孔隙密集及纖維褶皺為研究對(duì)象，分別從缺陷位置和零件厚度兩方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.1缺陷位置及占比

復(fù)合材料C型梁由腹板、緣條和R角3部分組成，本節(jié)主要開(kāi)展此3區(qū)域的缺陷位置占比研究，占比結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，復(fù)合材料C型梁產(chǎn)生缺陷的區(qū)域基本在R角。這是由于R角為曲面結(jié)構(gòu)，其成型過(guò)程相比于腹板和緣條平面區(qū)域更復(fù)雜。本文依據(jù)參考文獻(xiàn)[4]拐角區(qū)應(yīng)力分析可知，由于曲面結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面積不同，復(fù)合材料C型梁R角形成垂直和平行零件表面的壓縮應(yīng)力及側(cè)面的剪切應(yīng)力。剪切應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致零件固化過(guò)程中纖維發(fā)生剪切變形，造成R角密實(shí)程度相較于平板區(qū)更加不均勻，最終產(chǎn)生內(nèi)部和表觀質(zhì)量缺陷。

基于區(qū)域缺陷占比及原因分析，統(tǒng)計(jì)了不同R角半徑的復(fù)合材料C型梁拐角區(qū)域無(wú)損質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

由圖2可知，隨著零件R角半徑的增大，缺陷占比逐漸減小。這是因?yàn)?，零件R角過(guò)小，導(dǎo)致工裝R角趨近于“尖角”，鋪貼時(shí)，預(yù)浸料難以在R角光滑過(guò)渡，易形成纖維變形，且厚度越大，層疊而成的預(yù)浸料纖維變形現(xiàn)象愈發(fā)劇烈，造成纖維斷裂和架橋，進(jìn)而形成纖維褶皺和分層等缺陷。

1.2零件厚度及占比

為同時(shí)保證零件力學(xué)性能和輕質(zhì)特征，復(fù)合材料C型梁的設(shè)計(jì)包含等厚區(qū)和非等厚區(qū)2種類(lèi)型?；?.1節(jié)分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了R角等厚區(qū)與非等厚區(qū)的缺陷占比，如圖3所示。

由圖3可知，復(fù)合材料C型梁缺陷占比較高的為變厚區(qū)。復(fù)合材料C型梁制造材料為中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司的AC531樹(shù)脂基體和CCF800H纖維增強(qiáng)體合成的預(yù)浸料，AC531樹(shù)脂含量較少，可將AC531/CCF800H預(yù)浸料認(rèn)為是零吸膠材料。變厚區(qū)占比較高的原因?yàn)锳C531樹(shù)脂可分別沿面內(nèi)和厚度3方向流動(dòng)，不論等厚區(qū)還是非等厚區(qū)，均存在3種流動(dòng)路徑，屬于多維流動(dòng)，可能產(chǎn)生剪切力機(jī)制。對(duì)于非等厚區(qū)，在剪切流機(jī)制和外在載荷影響下，梯度區(qū)纖維易發(fā)生滑移，導(dǎo)致樹(shù)脂流動(dòng)和纖維分布不均，從而造成氣孔、揮發(fā)分和氣泡等雜質(zhì)物質(zhì)遺留在樹(shù)脂中，最終在鋪層臺(tái)階處產(chǎn)生孔隙、分層及纖維褶皺缺陷。

除統(tǒng)計(jì)了等厚區(qū)與非等厚區(qū)的缺陷占比，還研究了零件不同厚度的缺陷比例，如圖4所示。

由圖4可知，隨著零件增厚，缺陷比例也逐漸增加。這是因?yàn)?，厚度越厚，?shù)脂流動(dòng)以及空氣和揮發(fā)份的排出路徑也增長(zhǎng)。因預(yù)浸料由樹(shù)脂基體和纖維增強(qiáng)體組成，樹(shù)脂流動(dòng)的同時(shí)纖維也更加密實(shí)，因此，纖維絲束對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)以及空氣和揮發(fā)份的排出存在一定的阻礙作用，厚度越厚，流動(dòng)和排出路徑越長(zhǎng)，阻礙作用越大，導(dǎo)致樹(shù)脂流動(dòng)不均勻，纖維屈曲，空氣和揮發(fā)份也難以排除干凈，進(jìn)而造成孔隙、分層和纖維褶皺缺陷[5]。

2缺陷產(chǎn)生機(jī)理

復(fù)合材料C型梁固化成型過(guò)程中，由于高溫和高壓外部載荷作用，內(nèi)部存在樹(shù)脂流動(dòng)、纖維壓實(shí)、空氣和揮發(fā)分[6-7]等物質(zhì)的排出以及氣泡的滲透現(xiàn)象，從而抑制孔隙、分層和纖維褶皺缺陷。

復(fù)合材料零件內(nèi)部產(chǎn)生的樹(shù)脂流動(dòng)、纖維壓實(shí)以及空氣和揮發(fā)分排出的一系列過(guò)程也被稱(chēng)為密實(shí)過(guò)程。復(fù)合材料零件密實(shí)過(guò)程可用Darcy定律[8]來(lái)描述。Darcy定律中樹(shù)脂的流動(dòng)速率vi可以用式（1）描述：

式中：S_i表示纖維網(wǎng)絡(luò)在三方向上的滲透率；μ為樹(shù)脂粘性；P_r為樹(shù)脂壓力。

由式（1）可知，樹(shù)脂流動(dòng)速率與其黏度成反比，樹(shù)脂黏度越小，流動(dòng)速率越快。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中AC531樹(shù)脂黏度-溫度曲線(xiàn)可知，溫度越高，黏度越小。復(fù)合材料零件固化成型時(shí)，承受溫度載荷作用，初期溫度由室溫狀態(tài)慢慢升高，此時(shí)黏度較高，樹(shù)脂流動(dòng)較慢；隨著溫度的逐漸升高，黏度隨之降低，樹(shù)脂流動(dòng)速率增快，在此溫度下，保溫一段時(shí)長(zhǎng)，即可確保樹(shù)脂充分浸潤(rùn)纖維，抑制缺陷產(chǎn)生。與此同時(shí)，式（1）中樹(shù)脂流動(dòng)速率與樹(shù)脂壓力成正比，樹(shù)脂壓力越大，流動(dòng)越快。更大的樹(shù)脂壓力可使纖維更加密實(shí)，空氣和揮發(fā)份排出速率更快，排出量更多，進(jìn)而增加消除缺陷的可能性。綜上所述，復(fù)合材料零件缺陷形成主要與樹(shù)脂壓力和加壓時(shí)機(jī)存在較大關(guān)系。

3有效控制手段

3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

基于R角半徑和零件厚度對(duì)缺陷占比的分析可知，R角半徑越大、零件厚度越小，缺陷產(chǎn)生的可能性越低，但R角半徑過(guò)大，用于裝配的平面區(qū)域相應(yīng)減小，部段承載能力下降，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，無(wú)法滿(mǎn)足預(yù)期要求。以AC531/CCF800H預(yù)浸料為研究對(duì)象，根據(jù)前期試驗(yàn)件制造經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)外飛機(jī)制造公司L形復(fù)合材料零件R角設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式可得，零件厚度與內(nèi)形面R角半徑的關(guān)系決定了零件R角內(nèi)部及表觀質(zhì)量。復(fù)合材料曲率零件厚度與內(nèi)R角半徑關(guān)系如表1所示。

3.2完善成型參數(shù)

影響零件成型質(zhì)量的另一個(gè)重要因素為固化壓力的大小及加壓時(shí)機(jī)。根據(jù)文獻(xiàn)[9]中AC531樹(shù)脂和預(yù)浸料各自的黏度-溫度曲線(xiàn)可知，預(yù)浸料黏度最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為80～100℃，而純AC531樹(shù)脂黏度最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為90～180℃，綜合預(yù)浸料和純AC531樹(shù)脂溫度，最終確定黏度最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為90～100℃。在領(lǐng)先熱電偶升至90～100℃后，進(jìn)行加壓；在熱壓罐壓力范圍內(nèi)，且確保厚度公差滿(mǎn)足要求的情況下，固化壓力盡可能地增大。根據(jù)復(fù)合材料C型梁制造經(jīng)驗(yàn)，確定了不同厚度下的固化壓力值，如表2所示。

3.3提高排出路徑

對(duì)于選擇AC531/CCF800H材料體系固化成型的復(fù)合材料C型梁，固化時(shí)需在R區(qū)外表面放置壓力墊，不僅可保證零件厚度可控，同時(shí)可確保外表面型面流線(xiàn)及表面平整。若在零件表面放置壓力墊，雖可控制厚度偏差及表面質(zhì)量，但壓力墊的存在導(dǎo)致預(yù)浸料內(nèi)空氣和揮發(fā)份僅能從面內(nèi)2個(gè)路徑排出，排出路徑減少，加大了缺陷產(chǎn)生的可能性。因此，可在壓力墊R角區(qū)域每隔100mm鉆制一個(gè)Φ2.5mm通孔，以此增加厚度方向上的排出路徑，抑制缺陷產(chǎn)生。

以厚度10～15mm，內(nèi)R角半徑5～10mm的3件復(fù)合材料C型梁為例，采用陽(yáng)模鋪貼、熱壓罐固化成型方案。制造出的零件經(jīng)無(wú)損設(shè)備檢測(cè)，內(nèi)部無(wú)分層和孔隙密集缺陷；經(jīng)目視觀察可知，表觀質(zhì)量良好，R區(qū)無(wú)纖維褶皺現(xiàn)象[10]。

4結(jié)語(yǔ)

（1）分層、孔隙密集和纖維褶皺缺陷常發(fā)位置為復(fù)合材料C型梁大厚度的變R區(qū)；

（2）隨著厚度和內(nèi)R半徑的同比增加，缺陷產(chǎn)生的可能性成反比；

（3）通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、完善成型參數(shù)及提高排出路徑3項(xiàng)控制措施可預(yù)防缺陷產(chǎn)生，進(jìn)而提高零件成型質(zhì)量；

（4）本文聚焦缺陷占比規(guī)律分析，加之黏溫曲線(xiàn)參數(shù)來(lái)源于相關(guān)文獻(xiàn)，定量結(jié)果還需結(jié)合實(shí)際材料參數(shù)予以進(jìn)一步精確研究，但復(fù)合材料C型梁大厚度的變R區(qū)產(chǎn)生缺陷比例較高及控制措施的提供為定性結(jié)果，可為復(fù)合材料曲率零件的精確設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。