復合材料真空輔助整體成形異型件工藝研究

劉永慧

摘 要：目前，人們對復合材料產品性能的要求日益提高。因此，提出了采用真空輔助成形工藝整體制備復合材料異型件結構的方案，確定了異型件結構整體制作的具體過程，解決了碳纖維預浸布制作異型件結構的關鍵問題。試制結果表明，該工藝整體制備復合材料異型件結構是可行的，為復合材料廣泛應用到高承力、高強度的異型件結構中打下了基礎。

關鍵詞：復合材料異型件；碳纖維預浸布；弦桿；腹桿

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.088

真空輔助成形（VARI）是一種新型的低成本、高性能的成形工藝，已被應用到了船舶工程中。

1 模型結構及其成形方案

1.1 模型結構的試驗方法

模型的結構形式為“米”字形異型件，弦桿和腹桿均為復合材方管，在方管內填充了Balsa木，弦桿壁厚4 mm，腹桿壁厚3 mm。選用的復合材料為威海光威生產的碳纖維預浸布，Balsa木的規(guī)格為B150，密度為0.15 g/cm3。

1.2 真空輔助成形的基本原理

真空輔助成形工藝的基本原理為：在真空狀態(tài)下，排除纖維增強體中的氣體，利用樹脂的流動、滲透浸漬纖維及其織物，并使其在室溫或高溫下固化；固化成形后，通過真空氣壓差對纖維施加一定的正壓力，從而形成具有一定比例的復合材料構件。

2 真空輔助異型件成形過程中的技術

復合材料異型件結構整體成形過程中主要用到異型件結構整體成形法、弦桿接頭成形法、桿件預浸布鋪設法和真空輔助成形流道鋪設、固化法。

2.1 整體成形法

針對復合材料異型件結構特殊的結構形式，提出了分步制作、整體成形的模型制作方法：在木模具上鋪設碳纖維預浸布，抽真空固化制作得到U形異型件；在U形異型件內填充Balsa木和預埋金屬內芯，Balsa木、接頭內芯與U形異型件管壁用結構膠黏結；在成形的U形異型件的桿件和弦桿接頭上纏繞碳纖維預浸布，對桿件進行局部補強和整體纏繞加強，并進行預埋接頭與桿件的整體固化成形，從而得到模型樣件。

2.2 接頭整體成形法

通過計算得到弦桿接頭需要承受的拉壓荷載，針對結構、受力的特點設計T形預埋接頭內芯。接頭的成形方法為：先將接頭內芯預埋到弦桿和腹桿中，用木塊壓實預埋接頭，保證預埋接頭的內芯與桿件整體呈平面、保持豎直；使用碳纖維預浸布沿弦桿受力方向包裹內芯，使接頭內芯與復合材料弦桿整體固化為一體。采用該方案可將預埋接頭內芯與桿件連為一體，使各受力部分協同受力，從而提供較大的拉壓力。

2.3 鋪設、纏繞預浸布

整體采用交叉鋪設的方法，即一層預浸布全部鋪設、纏繞、搭接完成后，再鋪設下一層預浸布，并使各層預浸布交叉搭接。在初成形的異型件結構上纏繞、包裹碳纖維預浸布的方法為：將預浸布平鋪在異型件表面，預浸布中心線與桿件中心線對齊，順勢將預浸布向兩側腹板平鋪，施加一定的張力，并保持表面平整。

2.4 真空輔助成形流道鋪設、固化法

由于復合材料異型件結構復雜、鋪層不規(guī)則，為了保證樹脂對纖維的充分浸潤，并吸走預浸布高溫固化時多余的樹脂和氣泡，按照樹脂在纖維中的流動規(guī)律、遵循Darcy定律布設了導流網和導流管。Darcy定律為：

θ = S·A·△P/μ·L. （1）

式（1）中：θ為通過恒定面積試件的體積流動速率；S為滲透率，與長度的平方相關的常數；A為試件的橫截面積；△P為試件的壓力梯度；μ為樹脂黏度；L為試件液體流動的長度。

最終確定的導流設施布置方法為：在纏繞成形的樣件前部包裹脫模布和導流網，真空袋包裹所有桿件，并在樣件端部布置了1個出膠口，從而吸出多余的樹脂；抽真空，壓實各折角處的導流網和真空袋，待真空度達到0.08 MPa時，緩慢升溫至80℃，固化1 h后升溫至100℃，再固化1 h后升溫至120℃，并在120℃的環(huán)境下保持2 h；在固化過程中，應不斷地觀察固化效果，待樹脂完全固化完后緩慢降溫，最后脫模得到模型樣件。

3 外觀檢測

脫模后應及時觀測，成形后桿件的尺寸與設計尺寸基本相符。檢測試件外觀后發(fā)現，樣件整體成形效果較好，桿件鋪層較密實，但其表面存在一些問題：①弦桿接頭處存在纖維褶皺現象；②桿件厚度不一，表面不是平面。這些問題在后期制作實物樣件時均會改進。

4 結論

本文通過采用真空輔助成形工藝整體制備碳纖維復合材料異型件樣件，得出了以下2點結論：①本文提出的分步制作、整體成形、整體制備復合材料異型件模型樣件方案經濟、方便、可行，證明了真空輔助成形工藝用于制備異型件結構是合理、先進的，為解決軍用復合材料異型件結構減重問題提供了低成本的制造方法和技術方案；②從構造和工藝方面出發(fā)，本文提出的整體制備拉壓接頭具有一定的創(chuàng)新性，T形預埋接頭內芯構造合理，接頭承載效果良好。

一些需要改進之處為：①繞桿件纏繞的纖維在真空吸附受壓時，纖維會有褶皺、翹曲的現象，這會對桿件和接頭性能造成一定的影響。因此，在工藝上應優(yōu)化纖維的纏繞方法，避免此類問題的發(fā)生。②需要對異型件進行加載試驗，驗證異型件的力學性能，從而有針對性地優(yōu)化工藝。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕