復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)表面疏松缺陷研究

劉東輝 李仁鵬

（中航工業(yè)通飛研究院有限公司，珠海 519040）

復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)表面疏松缺陷研究

劉東輝 李仁鵬

（中航工業(yè)通飛研究院有限公司，珠海 519040）

近年來，民用航空器上的復(fù)合材料應(yīng)用比例越來越高，而夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以大幅提高結(jié)構(gòu)性能，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化。夾芯結(jié)構(gòu)由于需混合使用多種性能的材料，因而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型工藝提出了更高的要求。從實(shí)際應(yīng)用中遇到的零件表面疏松缺陷問題入手，對(duì)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中用到的不同的性能材料進(jìn)行了研究，提出了優(yōu)化復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的方法。

復(fù)合材料，疏松

近年來，復(fù)合材料在飛機(jī)等民用航空器上的應(yīng)用受到了廣泛重視，逐步從主要應(yīng)用于非承力部件發(fā)展到全機(jī)應(yīng)用的水平。例如，意大利馬基M346教練機(jī)中復(fù)合材料的用量達(dá)到了機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的20%；空客A380飛機(jī)中的復(fù)合材料用量占到了機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的25%；波音787中復(fù)合材料的用量占比達(dá)到50%，遠(yuǎn)超過鋁所占的20%；空客A350XWB寬體客機(jī)中復(fù)合材料的用量占比也達(dá)到了50%以上；而美國X-45C無人戰(zhàn)斗機(jī)中復(fù)合材料的用量占比超過了90%。

復(fù)合材料夾芯板由復(fù)合材料面板和芯材組成，是一種典型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)具有密度小、剛性大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、減震性能好等特點(diǎn)。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)形式在現(xiàn)代飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件中的應(yīng)用越來越受到重視。夾芯結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多種不同性能特點(diǎn)的材料的復(fù)合，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。

1 復(fù)合材料疏松產(chǎn)生的原因

疏松是復(fù)合材料缺陷的一種主要形式，是由大量的氣孔和孔隙導(dǎo)致的。其中，氣孔即復(fù)合材料中存在少量空氣或微小的氣泡，這些空氣和氣泡有在層間聚集的趨勢(shì)。氣孔通常由以下兩個(gè)因素造成：一是固化過程中的模具不匹配，導(dǎo)致沿構(gòu)件表面的壓力分布不均，在樹脂無法充填的區(qū)域形成缺陷；二是高揮發(fā)性樹脂和短固化周期的聯(lián)合作用，如果揮發(fā)物不能在樹脂固化前釋放，就會(huì)形成氣孔，而有時(shí)孔隙也可以由樹脂吸濕形成?？紫妒枪腆w材料給定區(qū)域內(nèi)空氣或氣體微泡的狀態(tài)，通常由于樹脂流動(dòng)不完全和局部過熱或樹脂污染引起。復(fù)合材料的材料力學(xué)特性隨孔隙含量的增大而降低。

2 產(chǎn)生疏松的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

本文以碳纖維預(yù)浸料PVC（聚氯乙烯）泡沫夾芯結(jié)構(gòu)為例，研究產(chǎn)生的復(fù)合材料疏松缺陷情況。研究表明，碳纖維預(yù)浸料PVC泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中的疏松缺陷產(chǎn)生在靠近模具一側(cè)的零件表面。

3 疏松產(chǎn)生的原因分析

按照以下步驟分析疏松缺陷產(chǎn)生的原因：

（1）對(duì)模具進(jìn)行檢查、對(duì)材料的存放管理進(jìn)行檢查，排除模具和材料存放管理的問題。

（2）針對(duì)零件內(nèi)外表面質(zhì)量的差異，考察固化過程中是否存在局部過熱問題。以1.2℉/min～1.4℉/min的速率進(jìn)行加熱，結(jié)果表明，零件上、下表面僅在冷卻時(shí)出現(xiàn)最大8℉～10℉的溫度差，如圖1所示，不會(huì)造成零件質(zhì)量差異。

圖1 零件上、下表面溫度曲線

（3）對(duì)固化過程中氣體產(chǎn)生的原因進(jìn)行考察。由于該碳纖維預(yù)浸料PVC泡沫夾芯結(jié)構(gòu)由預(yù)浸料和泡沫組成，因此，預(yù)浸料中的樹脂可能會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)物，泡沫也可能會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)物，此外，表面缺膠可能會(huì)造成針孔。針對(duì)以上可能的原因，設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)進(jìn)行排除、篩選，以達(dá)到有針對(duì)性地對(duì)產(chǎn)生氣體的原因進(jìn)行分析的目的。

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)如圖2所示的試驗(yàn)件：

（1）在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加一層膠膜，以提高結(jié)構(gòu)的樹脂含量。

（2）在零件與模具面之間增加一層脫模布，以促進(jìn)模具面的樹脂排氣。

圖2 零件表面疏松氣源測(cè)試試驗(yàn)件

（3）在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加一層快干膠，減少泡沫與預(yù)浸料的揮發(fā)物間的干擾。

（4）在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加隔離膜，將泡沫與預(yù)浸料隔離，避免泡沫與預(yù)浸料的揮發(fā)物間的干擾。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

按規(guī)劃生產(chǎn)試驗(yàn)件，結(jié)果如圖3和圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，原零件鋪層形式表面質(zhì)量很差；膠膜區(qū)域略有改善；脫模布區(qū)域基本沒有變化；快干膠區(qū)域略有改善；隔離膜區(qū)域表面質(zhì)量改善顯著。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，增加零件表面的樹脂含量，零件表面質(zhì)量僅略有改善，這說明造成表面疏松缺陷的原因并不是缺膠。在靠模面增加脫模布改善零件表面排氣能力，并不能改善零件表面質(zhì)量。而在泡沫與層壓板之間增加隔離膜，將泡沫與層壓板的環(huán)境隔離后，零件表面質(zhì)量顯著改善。這說明，層壓板在成型過程中的排氣是沒有問題的，而多余的氣體是泡沫排放的，而且不能夠完全排出。同時(shí)，快干膠區(qū)域也對(duì)零件表面質(zhì)量具有一定的改善作用，這是因?yàn)榭旄赡z在固化初期固化，對(duì)泡沫與層壓板具有一定的隔絕效果。

綜上所述，泡沫在零件成型過程中會(huì)排出氣體，泡沫排出的氣體不能通過表面層壓板排出。同時(shí)，零件采用的固化曲線為二級(jí)固化曲線（零件升溫到第一個(gè)平臺(tái)后保溫，使樹脂充分流動(dòng)浸潤排出樹脂中的氣體，然后升溫到第二平臺(tái)保溫固化），說明泡沫排氣的時(shí)間要長于第一平臺(tái)保溫的時(shí)間，使得泡沫中的氣體沒有充分排出，或泡沫排氣的溫度高于第一平臺(tái)保溫的溫度，使氣體沒有及時(shí)排出，樹脂流動(dòng)性已經(jīng)降低，最終形成了氣泡。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 改變固化曲線后的零件表面

5 泡沫夾芯結(jié)構(gòu)零件表面疏松的解決

通過以上的分析發(fā)現(xiàn)，要想解決缺陷問題，需要對(duì)零件的固化曲線進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)以下兩種改善固化曲線的方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

第一種方式：將固化曲線中的第一平臺(tái)的保溫時(shí)間延長，保證泡沫排出的氣體可以排出零件外。試驗(yàn)結(jié)果表明，沒有明顯的改善。

第二種方式：在固化曲線中第一平臺(tái)保溫溫度與第二平臺(tái)固化溫度之間增加一個(gè)中間溫度進(jìn)行保溫，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，同樣的試驗(yàn)件，所有區(qū)域的表面質(zhì)量均顯著改善。

6 結(jié)束語

復(fù)合材料是由多種材料復(fù)合而成的新型材料。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是新材料的設(shè)計(jì)過程，要充分考慮不同材料組合后帶來的強(qiáng)度和工藝問題，不能單純地用組成復(fù)合材料中某一種材料的特性來定義復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特性，應(yīng)充分考慮每種材料的特性和組合后帶來的問題。表面疏松是影響復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)性能的一種常見缺陷，碳纖維預(yù)浸料PVC泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中的疏松缺陷主要是由于泡沫的排氣導(dǎo)致的。分析和試驗(yàn)表明，在固化曲線中第一平臺(tái)保溫溫度與第二平臺(tái)固化溫度之間增加一個(gè)中間溫度進(jìn)行保溫，可顯著改善零件表面的質(zhì)量，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能。

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征稿啟事

《軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品》雜志是由中國航天科技集團(tuán)公司主管、中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院主辦的科技綜合類期刊。雜志以推廣軍民兩用技術(shù)、促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)移應(yīng)用、宣傳軍民兩用產(chǎn)品、探求改革舉措、跟蹤行業(yè)信息、交流工作經(jīng)驗(yàn)、服務(wù)大眾、傳播知識(shí)為辦刊宗旨，涉及面廣、信息量大，是全國唯一一本以介紹軍民兩用技術(shù)和產(chǎn)品為主、面向國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合類專業(yè)期刊，也是一本開發(fā)軍民兩用技術(shù)和產(chǎn)品的指南性期刊。

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