先進(jìn)復(fù)合材料熱壓罐工藝成型過(guò)程壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)*

北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院空天材料與服役教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 李艷霞 顧軼卓 李 敏 張佐光

以碳纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好、耐腐蝕、便于大面積整體成型等突出特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。熱壓罐工藝是生產(chǎn)高性能復(fù)合材料構(gòu)件最重要的方法之一，是利用熱壓罐內(nèi)部的高溫壓縮氣體產(chǎn)生壓力對(duì)復(fù)合材料坯料進(jìn)行加熱、加壓，以完成復(fù)合材料固化成型的方法。壓力是復(fù)合材料熱壓罐成型工藝的必要條件，是實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂流動(dòng)和纖維密實(shí)的驅(qū)動(dòng)力，也是決定制件成型質(zhì)量的重要參數(shù)。因此，建立熱壓罐工藝測(cè)試方法，尤其是壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為必要。

熱壓罐工藝中，預(yù)浸料鋪層需要在真空袋、透氣氈等輔助材料的封裝下進(jìn)行固化，尤其是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的制件，輔助材料和剛性模具難以與整個(gè)鋪層表面進(jìn)行平滑、緊密的貼合，從而阻礙外壓的傳遞和均勻分布。實(shí)際工程中常使用橡膠軟模輔助制件成型。曲率層板典型封裝方案如圖1（a）所示，其中橡膠軟膜用于壓力傳遞，吸膠材料吸收多余的樹(shù)脂；隔離材料四氟布防止復(fù)合材料毛坯固化后與吸膠材料和模具粘附在一起，預(yù)浸料鋪層四周放置擋塊防止工藝過(guò)程中樹(shù)脂沿邊緣流出。在熱壓罐工藝成型過(guò)程中，施加在預(yù)浸料封裝體系上的壓力包括壓縮氣體壓力和真空壓力（如圖1（b）所示），兩者之和為作用在預(yù)浸料封裝體系上的總壓力Pt，通過(guò)封裝材料和模具傳遞到預(yù)浸料疊層表面，定義該壓力為總有效應(yīng)力P（如圖1（a），陽(yáng)模成型L形層板時(shí)壓力膠片位置處測(cè)量的壓力），預(yù)浸料疊層內(nèi)纖維和樹(shù)脂共同承擔(dān)總有效應(yīng)力（如圖1（c）所示）。隨著纖維密實(shí)和樹(shù)脂流動(dòng)，纖維承擔(dān)有效應(yīng)力Pf和樹(shù)脂壓力Pr不斷發(fā)生變化。因此，復(fù)合材料成型過(guò)程壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于制件質(zhì)量控制具有重要的意義。為盡量減少壓力傳感器對(duì)成型過(guò)程樹(shù)脂流動(dòng)/纖維密實(shí)以及成型質(zhì)量的影響，要求傳感器尺寸小，耐高溫且溫度敏感度低，壓力響應(yīng)靈敏。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于復(fù)合材料熱壓罐成型過(guò)程壓力在線監(jiān)測(cè)的研究，主要集中在預(yù)浸料鋪層內(nèi)部纖維和樹(shù)脂承壓的分析。在纖維承力測(cè)試方面，Cable[1]將光纖傳感器用于復(fù)合材料固化過(guò)程中的溫度和壓力監(jiān)測(cè)，光纖直徑100μm，對(duì)復(fù)合材料固化過(guò)程影響較?。蝗欢?，在層板固化后光纖永久地留在制件中，成本較高，并對(duì)制件性能有一定的影響；另外，測(cè)試精度較低，易同時(shí)受溫度和壓力影響，使得測(cè)試信號(hào)分析難度大。在樹(shù)脂承壓測(cè)試方面，較早采用的是纖維層內(nèi)鋪放片狀壓力傳感器的方法來(lái)獲得樹(shù)脂壓力[2]，但由于是面測(cè)量，極易受纖維壓力的影響，而且傳感器穩(wěn)定性差，滯后嚴(yán)重，僅能對(duì)樹(shù)脂壓力進(jìn)行定性研究?？紤]到光纖測(cè)試技術(shù)成本較高，Lynch等人[3]利用不壓縮液體傳遞壓強(qiáng)的性質(zhì)，通過(guò)一根細(xì)長(zhǎng)的切角為90°的細(xì)針管連接在壓力傳感器上，利用細(xì)管內(nèi)未添加固化劑的樹(shù)脂來(lái)傳遞液體壓力，但未系統(tǒng)討論傳感器對(duì)于樹(shù)脂流動(dòng)性較低條件下的適用性，如纖維體積分?jǐn)?shù)較高、樹(shù)脂粘性較大以及零吸膠工藝等。

圖1 曲率層板熱壓罐成型原理Fig.1 Principle of autoclave process for curvature plate

北京市聚合物基復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室針對(duì)熱壓罐成型工藝過(guò)程壓力測(cè)試問(wèn)題，建立了預(yù)浸料鋪層內(nèi)纖維和樹(shù)脂承壓、預(yù)浸料疊層表面承壓在線測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)了工藝過(guò)程的精細(xì)分析。以下將對(duì)光纖微彎纖維承壓測(cè)試系統(tǒng)、樹(shù)脂壓力測(cè)試系統(tǒng)、壓力測(cè)量膠片以及多點(diǎn)薄膜壓力測(cè)試系統(tǒng)的工作原理及其適用性進(jìn)行介紹。

1 預(yù)浸料鋪層內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)方法

預(yù)浸料鋪層內(nèi)纖維與樹(shù)脂承壓在線監(jiān)測(cè)對(duì)于鋪層內(nèi)壓力分配機(jī)制研究具有重要意義。

1.1 纖維承壓測(cè)試方法

圖2 光纖微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制示意圖Fig.2 Fiber optic micro-bend loss intensity modulation

利用光纖受力變形后光強(qiáng)發(fā)生損耗的原理，建立了纖維承力的光纖微彎壓力測(cè)試系統(tǒng)[4-5]， 如圖2所示，工作原理為：纖維受壓后擠壓固定在透氣布上的銅絲，使其產(chǎn)生彎曲，銅絲又將壓力傳遞到光纖上，光纖產(chǎn)生微彎損耗，從而間接地反映纖維所受壓力的大小。在熱壓過(guò)程中，外加壓力施加后樹(shù)脂和纖維均會(huì)承擔(dān)一定的壓力，樹(shù)脂壓力是否會(huì)對(duì)調(diào)制器的變形產(chǎn)生影響，是該壓力測(cè)試系統(tǒng)能否準(zhǔn)確反映纖維承力變化的關(guān)鍵。因此，測(cè)試分析了液體流動(dòng)對(duì)光纖信號(hào)的影響，如圖3所示。測(cè)試液體流動(dòng)過(guò)程中光纖信號(hào)基本不變，即光纖輸出信號(hào)的改變完全由纖維承力的變化所引起。

圖3 液體流動(dòng)對(duì)光纖信號(hào)的影響Fig.3 Effect of liquid flow on optical signal

由于光纖的輸出信號(hào)與光纖的微彎變形直接相關(guān)，微小的變形差異都會(huì)引起光強(qiáng)的變化，而纖維分布及其壓力分布的隨機(jī)性，使得光纖微彎變化有一定的不規(guī)律性，從而影響實(shí)測(cè)的電信號(hào)與纖維承壓之間定量關(guān)系的確定，因此該系統(tǒng)只可定性地研究纖維承力的變化。

1.2 樹(shù)脂壓力在線測(cè)試方法

樹(shù)脂壓力不僅影響樹(shù)脂流動(dòng)，也是抑制孔隙缺陷產(chǎn)生的重要條件[6-8]?；谂了箍ǘ山⒘藷釅汗薰に囘^(guò)程樹(shù)脂壓力在線測(cè)試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示[9-10]。在復(fù)合材料成型過(guò)程中，當(dāng)壓力施加于預(yù)浸料鋪層時(shí)，樹(shù)脂分擔(dān)部分壓力，通過(guò)探針、傳壓管及儲(chǔ)液腔將樹(shù)脂壓力傳遞到傳感器感應(yīng)區(qū)域，傳感器將感應(yīng)壓力并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，通過(guò)巡檢儀對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行壓力采集裝置的具體操作方法見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。巡檢儀可以同時(shí)對(duì)多路電流信號(hào)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部多個(gè)位置樹(shù)脂壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 樹(shù)脂壓力在線測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagram of resin pressure onlive test system

圖5為熱壓罐罐內(nèi)壓力連續(xù)變化時(shí)，壓力傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試。測(cè)試壓力與熱壓罐氣壓保持一致，沒(méi)有滯后現(xiàn)象，說(shuō)明壓力傳感器具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，適用于復(fù)合材料熱壓罐成型工藝過(guò)程樹(shù)脂壓力在線監(jiān)測(cè)[11]。

圖5 壓力傳感器線性和階梯式動(dòng)態(tài)標(biāo)定曲線Fig.5 Linear and stepwise calibration curves of pressure sensor

采用吸膠工藝，制備并測(cè)試了非等厚層板典型位置的樹(shù)脂壓力變化規(guī)律，如圖6所示。在外加壓力施加初始階段，不同位置樹(shù)脂壓力存在明顯差異，并導(dǎo)致鋪層內(nèi)部樹(shù)脂流動(dòng)。當(dāng)吸膠材料達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，樹(shù)脂壓力差異減小，最終各個(gè)位置樹(shù)脂壓力穩(wěn)定在大約0.29MPa。根據(jù)有效應(yīng)力原理和層板纖維體積分?jǐn)?shù)52.4%，在外加壓力0.50MPa條件下，樹(shù)脂承擔(dān)壓力為0.28MPa。這與樹(shù)脂壓力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果基本一致，說(shuō)明樹(shù)脂壓力在線測(cè)試系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)預(yù)浸料鋪層內(nèi)部樹(shù)脂壓力變化[12-13]。

圖6 吸膠工藝非等厚預(yù)浸料鋪層內(nèi)樹(shù)脂壓力變化規(guī)律Fig.6 Resin pressure variation in layup during bleeder process

2 預(yù)浸料疊層承壓測(cè)試方法

預(yù)浸料疊層承擔(dān)的壓力是熱壓罐罐壓經(jīng)過(guò)封裝材料和模具傳遞到預(yù)浸料疊層表面的壓力，是施加在預(yù)浸料疊層上的有效應(yīng)力，并且區(qū)別于各向同性的熱壓罐罐壓，存在應(yīng)力分布[14]。

2.1 壓力測(cè)量膠片

壓力測(cè)量膠片的外觀和壓力測(cè)試原理見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。壓力測(cè)試膠片由兩部分組成，即A模與C模，由PET聚酯膠片作為載體，C模涂有一層微囊生色物質(zhì)，A模涂有顯色物質(zhì)。使用時(shí)將A、C膠片的粗糙面相對(duì)，然后把膠片插入要測(cè)量壓力的地方，施壓后微囊破裂，生色物質(zhì)與顯色物質(zhì)相互反應(yīng)，膠片上出現(xiàn)紅色區(qū)，而且色彩的深淺隨著壓力水平的改變而改變。通過(guò)掃描儀將受壓膠片上的信息存入電腦，通過(guò)Photoshop?軟件對(duì)灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過(guò)標(biāo)定方程將其轉(zhuǎn)化為壓力值。圖7為不同溫度時(shí)灰度與壓力關(guān)系曲線，灰度與壓力之間有較好的線性關(guān)系。

圖7 不同溫度下的標(biāo)定曲線Fig.7 Calibration curves under different temperatures

采用壓力膠片方法[16]分析了T形結(jié)構(gòu)成型過(guò)程筋條型面內(nèi)的壓力分布特征，如圖8所示。結(jié)果表明，壓力測(cè)量膠片可用于定性分析不同模具的傳壓效率。但該方法只能測(cè)試每一位置所受的最大壓力，而不能得到工藝過(guò)程中實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

圖8 T形結(jié)構(gòu)筋條型面內(nèi)壓力分布Fig.8 Pressure distribution in T-shape laminates

2.2 多點(diǎn)薄膜壓力測(cè)試系統(tǒng)

多點(diǎn)薄膜壓力測(cè)試系統(tǒng)工作原理為:調(diào)制器把薄膜狀傳感器由于受壓產(chǎn)生的電阻變化調(diào)制成標(biāo)準(zhǔn)的DC電壓變化，并接入采集設(shè)備。薄膜傳感器的Flexiforce感測(cè)片由兩層襯底構(gòu)成，每層襯底由導(dǎo)體材料（銀）和壓力敏感元件組成，通過(guò)粘合劑將襯底粘在一起形成傳感器，圖9為測(cè)試原理圖。本文選用的Flexiforce HT201薄膜壓力傳感器厚度僅為0.203mm，其受力敏感區(qū)域是位于傳感器前端直徑為9.53mm的圓，具有可撓著、耐高溫高壓的優(yōu)點(diǎn)，能與一定曲率的曲面完全貼合。在熱壓成型過(guò)程中，可將壓力測(cè)試片放置于軟膜與預(yù)浸料疊層或剛性模具與預(yù)浸料疊層之間測(cè)試表征預(yù)浸料疊層所受到的密實(shí)壓力，即有效應(yīng)力Peff。

圖9 密實(shí)壓力在線測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.9 Testing principle of pressure shared by fibers

感測(cè)片對(duì)熱壓罐內(nèi)氣壓變化響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果如圖10所示，在線性升壓過(guò)程，感測(cè)片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性很好。圖11為陽(yáng)模成型L 形層板典型位置密實(shí)壓力隨時(shí)間的變化過(guò)程，感測(cè)片位于剛性模具與預(yù)浸料疊層之間，測(cè)試得到剛模側(cè)作用于層板的密實(shí)壓力[17]，其中5為預(yù)浸料疊層，9為剛性模具。在熱壓罐罐壓增加階段，預(yù)浸料疊層不同位置所受的密實(shí)壓力均隨之升高，當(dāng)罐內(nèi)氣壓恒定后，始終保持拐角區(qū)壓力大于平板區(qū)壓力，測(cè)試結(jié)果對(duì)于分析模具傳壓效率和壓力分布具有重要指導(dǎo)意義。

圖10 Flexiforce 壓力傳感器測(cè)試曲線Fig.10 Test curve of Flexiforce pressure sensor

圖11 L形層板熱壓罐成型中密實(shí)壓力變化曲線Fig.11 Fiber compaction pressure variation with time during autoclave process

3 小結(jié)

針對(duì)熱壓罐成型工藝過(guò)程壓力測(cè)試問(wèn)題，建立了預(yù)浸料鋪層內(nèi)纖維和樹(shù)脂承壓、預(yù)浸料疊層表面承壓等在線測(cè)試方法，通過(guò)標(biāo)定曲線以及驗(yàn)證試驗(yàn)論證了測(cè)試系統(tǒng)的有效性以及適用性。預(yù)浸料疊層與模具之間的壓力監(jiān)測(cè)可用于揭示模具傳壓效率，指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)，而鋪層內(nèi)纖維與樹(shù)脂承壓測(cè)試信息則從本質(zhì)上揭示鋪層內(nèi)壓力分配規(guī)律，指導(dǎo)缺陷控制和工藝優(yōu)化，提高制件成型質(zhì)量。

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