熱壓罐成型加筋板L形筋條纖維密實(shí)影響因素研究

王雪明， 謝富原， 李 敏， 張佐光

(1.北京航空制造工程研究所，北京 100024;2.北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

熱壓罐成型加筋板L形筋條纖維密實(shí)影響因素研究

王雪明1，2， 謝富原1， 李 敏2， 張佐光2

(1.北京航空制造工程研究所，北京 100024;2.北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

采用膠接共固化整體成型工藝制備了L形筋條，研究了模具配合、填充料、曲率半徑、吸膠工藝等因素對(duì)L形筋條纖維密實(shí)和制造缺陷的影響規(guī)律，分析了缺陷形成機(jī)制。結(jié)果表明:厚度不均、架橋、富脂是L形筋條中存在的主要缺陷;采用軟模輔助成型和加入適量填充料可改善筋條拐角區(qū)的壓力分布，增大曲率半徑和采用預(yù)吸膠工藝可降低拐角效應(yīng)，從而可有效提高筋條纖維密實(shí)程度。

復(fù)合材料;熱壓罐;加筋板;曲率半徑;纖維密實(shí)

曲率作為一種基本的結(jié)構(gòu)要素，廣泛存在于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中。由于弧形結(jié)構(gòu)因素，熱壓成型過(guò)程中的壓力傳遞方式和溫度分布規(guī)律與等厚層板有所不同，易引起壓力分布不均，樹脂發(fā)生多維流動(dòng)，同時(shí)拐角區(qū)還會(huì)產(chǎn)生因剪切變形引起拐角效應(yīng)。因此，關(guān)于L形層板制備過(guò)程中缺陷形成機(jī)制與控制方法引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，分別從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的角度進(jìn)行了研究。Hubert［1，2］，Li Min［3］，李艷霞［4］分別模擬了固化后 L 形構(gòu)件的密實(shí)和變形情況，指出拐角區(qū)纖維層的剪切模量不可忽略，同時(shí)必須考慮滲流機(jī)制與剪切流機(jī)制之間的耦合作用。Hubert［5］等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)考查了模具形式(陽(yáng)模、陰模）、鋪層方式、樹脂黏度、吸膠方式對(duì)L形層板密實(shí)的影響，常文［6］、Malak［7，8］分別就 L 形層板的結(jié)構(gòu)因素(曲率半徑、鋪層方式、平板長(zhǎng)度等）和工藝制度對(duì)L形層板纖維密實(shí)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。上述研究多側(cè)重于對(duì)單一L形層板固化成型的研究，而對(duì)于整體成型工藝中L形層板的研究報(bào)道較少。

T形加筋板就是一個(gè)典型的整體結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)L形筋條、填充料和蒙皮組成的，多采用共固化、膠接共固化和二次膠接三種整體工藝來(lái)制備。在膠接共固化成型工藝中，相對(duì)于已固化的蒙皮，L形筋條的密實(shí)質(zhì)量直接影響著T形加筋板的成型質(zhì)量。前期研究結(jié)果表明，整體成型過(guò)程中L形筋條型面內(nèi)壓力分布不均，引起樹脂發(fā)生復(fù)雜的多維流動(dòng)［9］。因此，L形筋條的密實(shí)程度除了受結(jié)構(gòu)與工藝因素影響外，還受到模具組合、填充料、吸膠工藝等加筋板整體成型時(shí)“特有因素”的影響。

本工作采取T形加筋板的模具組合方式(以反映其傳壓方式）單獨(dú)成型L形筋條，系統(tǒng)研究了模具組合、填充料、吸膠工藝等因素對(duì)L形筋條纖維密實(shí)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料及儀器設(shè)備

原材料:碳纖維/雙馬樹脂熱熔法預(yù)浸料，含膠量31%～35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)），北京航空制造工程研究所;輔助材料(Airpad橡膠、四氟布、A4000脫模布、透氣氈、真空袋），美國(guó)Air Tech公司。

設(shè)備:熱壓罐，北京航空制造工程研究所;不同曲率半徑(R=1.5mm，5mm，7mm，9mm）L 形鋼模和軟模，自制;BX51M光學(xué)數(shù)碼金相顯微鏡，日本O-lympus;Sisc IAS圖像采集系統(tǒng)，北京中科科儀計(jì)算技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)T形加筋板中的兩個(gè)L形筋條分別在模具上鋪覆、封裝后再按照T形加筋板的方式組裝在一起，如圖1所示。筋條鋪層方式為多向鋪層(［-45/0/45/90/-45/0/90/0/45/90/-45/0/45］）。在熱壓罐中對(duì)筋條固化成型，從室溫時(shí)抽真空加熱到110℃并恒溫10min，加壓0.6MPa，再升溫至185℃并恒溫3h，降溫至70℃卸壓停真空，升降溫速率1.5℃/min。采用兩種模具配合方案(硬模/硬模、硬模/軟模），模具的設(shè)計(jì)與選擇詳見文獻(xiàn)［9］。

厚度分布是樹脂流動(dòng)和纖維密實(shí)的結(jié)果，本工作用厚度分布來(lái)表征筋條的纖維密實(shí)程度。厚度分布的測(cè)量位置如圖2所示，該圖為所選區(qū)域的截面圖，按照?qǐng)D中所標(biāo)的位置點(diǎn)，測(cè)量P1～P15共15個(gè)位置的厚度，各點(diǎn)間距l(xiāng)=10mm，P1～P4對(duì)應(yīng)的是突緣厚度，P5代表拐角區(qū)最厚處的厚度，P6～P15表示腹板面厚度。各點(diǎn)厚度值均由精度為±0.01mm的千分尺測(cè)得。

固化成型后，采用超聲A掃描對(duì)L形筋條進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，根據(jù)波形特征確定缺陷類型，并采用金相顯微鏡對(duì)筋條拐角進(jìn)行形貌觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 模具類型的影響

不同模具類型成型T形加筋板時(shí)的筋條型面內(nèi)壓力分布規(guī)律有所不同［9］，這必將對(duì)加筋板的成型質(zhì)量產(chǎn)生影響。本工作考查了硬模/L形軟模模具組合對(duì)L形筋條纖維密實(shí)的影響，R=5mm，拐角區(qū)無(wú)填充料，成型后兩模具下L形筋條各部分厚度如圖3所示。

圖3 模具類型對(duì)L形筋條厚度的影響 注:橫坐標(biāo)從左到右依次對(duì)應(yīng)圖2中的P1～P15的位置Fig.3 Effect of tools on stiffener thickness Note:The abscissa corresponding to the position from P1 to P15 in Fig.2.

由圖3可見，L形筋條拐角部分最厚，突緣和腹板部分較薄，厚度曲線呈現(xiàn)形，這與陰模成型L形層板的密實(shí)規(guī)律相同［6］。由于成型過(guò)程中筋條型面內(nèi)壓力分布不均，拐角區(qū)壓力小于兩側(cè)所受壓力［9］;從樹脂流動(dòng)角度分析，不同壓力分布導(dǎo)致樹脂壓力不同，拐角區(qū)樹脂壓力較小導(dǎo)致樹脂有從拐角區(qū)兩側(cè)向拐角區(qū)流動(dòng)的趨勢(shì)，以及含曲率構(gòu)件熱壓成型過(guò)程中密實(shí)過(guò)程存在滲流機(jī)制與剪切流機(jī)制的耦合作用。

此外，從圖3還可以發(fā)現(xiàn)，采用不同模具類型成型時(shí)，L形筋條的密實(shí)程度不同，靠近硬模側(cè)的L形筋條拐角密實(shí)程度最差，出現(xiàn)明顯架橋和富脂缺陷(圖4a），而靠近軟模側(cè)筋條拐角密實(shí)相對(duì)改善很多(圖4b）。這主要是由于硬模和軟模的傳壓特性不同引起的，由于硬模剛度很大，變形能力很差，壓力很難傳遞到拐角區(qū)，從而容易引起拐角纖維架橋，樹脂在壓力差作用下從拐角兩側(cè)流向拐角區(qū)，引起富脂缺陷。相對(duì)而言，軟模具有較好的變形能力，成型過(guò)程中與筋條密實(shí)時(shí)的貼合性較好，可保證壓力施加到拐角區(qū)，纖維密實(shí)程度較好。

2.2 填充料的影響

加筋板結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量除了受模具類型的影響外，拐角區(qū)填充料的影響也不可忽視。為消除筋條拐角區(qū)與蒙皮間的“空洞”，加筋板結(jié)構(gòu)的填充區(qū)通常填充的是膠模或與成型構(gòu)件相同的單向帶預(yù)浸料。本工作選用碳纖維/雙馬樹脂單向帶作為填充料，設(shè)計(jì)了L形筋條拐角區(qū)有無(wú)填充料的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用硬模/硬模組合方案，曲率半徑R=5mm。成型后筋條各部分厚度如圖5所示。

圖4 L形筋條拐角區(qū)形貌圖 (a）硬模;(b）軟模Fig.4 Micrograph of corner section in L-shaped stiffeners(a）molding by rigid tools;(b）molding by flexible tools

圖5 填充料對(duì)L形筋條厚度的影響 注:橫坐標(biāo)從左到右依次對(duì)應(yīng)圖2中的P1～P15的位置Fig.5 Effect of fillers on stiffener thickness Note:The abscissa corresponding to the position from P1 to P15 in Fig.2.

由圖5可見，拐角區(qū)的填充料會(huì)明顯影響L形筋條的密實(shí)程度，尤其對(duì)拐角區(qū)的厚度影響程度最大。腹板和突緣厚度在無(wú)填充料時(shí)比加入填充料后薄，而拐角厚度比加入填充料約厚26%，因此，加入填充料后，筋條的拐角更易密實(shí)，整體厚度均勻性程度提高。主要原因在于填充料顯著影響樹脂的面內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)填充區(qū)無(wú)填充料時(shí)，樹脂在壓力差作用下更易從突緣和腹板的面內(nèi)流動(dòng)的樹脂匯集到填充區(qū)形成富脂缺陷(圖6a），導(dǎo)致拐角厚度增大，而拐角兩側(cè)厚度減小。加入填充料后，兩個(gè)L形筋條間的“空洞”得以消除，成型時(shí)填充料也會(huì)反作用于筋條，不會(huì)因硬模變形能力差而壓力無(wú)法施加到筋條拐角區(qū)，拐角區(qū)的壓力增大，面內(nèi)方向的壓力差減小，從而面內(nèi)流動(dòng)流向拐角區(qū)的樹脂減少，富脂現(xiàn)象逐漸消除(圖6b），筋條整體厚度趨于均勻。

圖6 L形筋條拐角區(qū)形貌圖 (a）無(wú)填充料;(b）有填充料Fig.6 Micrograph of corner section in stiffeners (a）stiffener core with no fillers;(b）stiffener core with fillers

2.3 曲率半徑的影響

曲率半徑是復(fù)合材料構(gòu)件中的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，曲率半徑變化后，拐角區(qū)弧形部分的長(zhǎng)度不同，引起曲率突變的程度不同。此外，在材料體系、工藝制度一致的情況下，纖維密實(shí)主要受成型壓力的影響，而曲率半徑對(duì)壓力傳遞是有影響的，從而影響成型過(guò)程纖維的密實(shí)和樹脂的流動(dòng)［9］。本工作考查了曲率半徑對(duì)L形筋條纖維密實(shí)的影響，采用硬模/L形軟模模具組合方案，拐角區(qū)無(wú)填充料。不同曲率半徑L形筋條各部分平均厚度如圖7所示。圖中筋條序號(hào)1-1，1-2所對(duì)應(yīng)的L形筋條來(lái)自同一對(duì)模具組合(R=5mm），1-1表示靠近軟模側(cè)筋條，1-2表示靠近硬模側(cè)筋條，其余筋條序號(hào)依次類推。

圖7 曲率半徑對(duì)L形筋條厚度的影響Fig.7 Effect of curvature radius on stiffener thickness

L形層板密實(shí)過(guò)程中層板內(nèi)外表面面積變化的不一致性，從而引起明顯的拐角效應(yīng)，隨著曲率半徑的增大，拐角效應(yīng)減?。?0］。由圖7可見，無(wú)論是靠近硬模側(cè)的筋條還是靠近軟模側(cè)的筋條，拐角厚度均隨著曲率半徑的增大而有所降低，腹板和突緣厚度變化不大，筋條整體厚度均勻性增大。在硬模/L形軟模的組合中，由于軟模傳壓性好，隨著曲率半徑的增大，拐角區(qū)的壓力有所增大［9］，從而致使拐角區(qū)的樹脂壓力增大，拐角效應(yīng)減小，密實(shí)程度提高。

2.4 吸膠工藝的影響

實(shí)際熱壓罐成型工藝中，吸膠工藝有多種方式，其中預(yù)吸膠工藝和固化吸膠工藝較為常用。在預(yù)吸膠工藝中，制件首先在不使樹脂發(fā)生明顯固化反應(yīng)的溫度下預(yù)成型，以消除鋪疊過(guò)程中的夾雜空氣和吸濕水，并保證制件的尺寸;然后降溫去除吸膠材料，再進(jìn)行高溫固化。在固化吸膠工藝中，制件的吸膠過(guò)程與固化成型過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的，吸膠材料在固化結(jié)束后再去除。本工作對(duì)比研究了預(yù)吸膠和固化吸膠兩種工藝對(duì)L形筋條纖維密實(shí)的影響，拐角區(qū)無(wú)填充料，硬模/L形軟模組合方案。筋條成型后各部分平均厚度如圖8所示，圖中筋條序號(hào)1-1，1-2所對(duì)應(yīng)的L形筋條采用預(yù)吸膠工藝且來(lái)自同一對(duì)模具組合(R=1.5 mm），2-1，2-2所對(duì)應(yīng)的L形筋條采用固化吸膠工藝且來(lái)自同一對(duì)模具組合(R=7mm）。由圖8可見，固化吸膠工藝的拐角厚度比預(yù)吸膠工藝的拐角厚度約厚10%，密實(shí)程度稍差，拐角區(qū)有明顯的富脂和架橋缺陷(圖9a），同時(shí)還有孔隙缺陷。而在預(yù)吸膠工藝中，盡管拐角曲率半徑較小且拐角效應(yīng)較大，但拐角區(qū)的密實(shí)程度較固化吸膠工藝仍改善很多，無(wú)富脂和孔隙缺陷(圖9b）。這主要是由于在這兩種吸膠工藝下，壓力傳遞狀況和密實(shí)過(guò)程會(huì)有一定差異，從而影響著固化制件的缺陷情況。

圖8 吸膠工藝對(duì)L形筋條厚度的影響Fig.8 Effect of bleeding process on stiffener thickness

預(yù)吸膠工藝中，層板的密實(shí)主要發(fā)生在溫度較低的成型階段，樹脂黏度高，密實(shí)速率慢，根據(jù)Gutowski提出的漸進(jìn)式密實(shí)理論［11］，厚度方向樹脂在壓力差作用下流入吸膠層，去除吸膠材料進(jìn)入固化階段后，可以認(rèn)為鋪層基本不發(fā)生密實(shí)運(yùn)動(dòng);而固化吸膠工藝中，層板的密實(shí)過(guò)程包括低溫和高溫兩個(gè)階段，尤其在高溫階段，樹脂黏度低，密實(shí)速率快，傳壓的均勻性和模具與鋪層的貼合性更難保證，因此拐角效應(yīng)導(dǎo)致的厚度分布不均勻現(xiàn)象也就更為明顯。所以，該對(duì)比實(shí)驗(yàn)充分說(shuō)明了預(yù)吸膠工藝密實(shí)過(guò)程的特點(diǎn)有利于拐角效應(yīng)的抑制，使得壓力分布更為均勻，模具與鋪層貼合性更好，富脂、孔隙等缺陷不易形成，但固化時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，工藝操作更復(fù)雜。

圖9 L形筋條拐角區(qū)形貌圖 (a）固化吸膠工藝;(b）預(yù)吸膠工藝Fig.9 Micrograph of corner section in stiffeners (a）bleeding process;(b）pre-bleeding process

3 結(jié)論

(1）模具類型、填充料用量是復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中纖維密實(shí)和制造缺陷較為敏感的影響因素;采用軟模輔助成型，同時(shí)在拐角區(qū)加入適量填充料可明顯提高筋條拐角的密實(shí)程度，可有效消除拐角區(qū)的架橋和富脂等制造缺陷。

(2）L形筋條曲率半徑不同，引起的拐角效應(yīng)不同，隨著曲率半徑的增大，拐角效應(yīng)減小，纖維密實(shí)程度提高。

(3）預(yù)吸膠工藝有利于拐角效應(yīng)的抑制，使得壓力分布更為均勻，模具與鋪層貼合性更好，富脂、孔隙等缺陷不易形成。

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Experimental Research on Fiber Compaction of L-shaped Stiffeners in Stiffened Skins by Autoclave Process

WANG Xue-ming1，2， XIE Fu-yuan1， LI Min2， ZHANG Zuo-guang2
(1.Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China;2.School of Material Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

L-shaped stiffeners were fabricated by integral co-bonding technique in the autoclave.This study focused on investigating the influence of tool assembly，filler，curvature radius and bleeding process on the fiber compaction and manufacturing defects of L-shaped stiffeners，with analyzing the formation mechanism of these defects.The results indicated that non-uniform thickness，bridging and rich resin were the main defects of L-shaped stiffeners.The fiber compaction was improved significantly on the condition that the pressure in corner section was increased by applying flexible tools and rolling unidirectional prepregs as fillers into the stiffener core，and that the corner effect was remarkably caused a decrease by increasing curvature radius and applying pre-bleeding process.All these results are the vital importance for declaring the formation mechanism of defects and enhancing integral manufacturing quality of composite stiffened skins.

composites;autoclave;stiffened skins;curvature radius;fiber compaction

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.4.012

TB332

A

1005-5053(2011）04-0064-05

2010-09-15;

2010-10-28

國(guó)家863項(xiàng)目(2006AA03Z556）

王雪明(1977—），男，博士，工程師，主要從事先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料方面的研究，(E-mail）wtj1998@mse.buaa.edu.cn。