淺析復(fù)合材料制造過程中的缺陷處理

何林鋒　張鵬飛　李希巖

【摘 要】復(fù)合材料制造過程中，不可避免地出現(xiàn)缺陷，本文正是基于制造過程中出現(xiàn)的缺陷加以分析和總結(jié)，為后續(xù)處理相關(guān)問題提供一定的經(jīng)驗(yàn)支持。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)；復(fù)合材料；制造；超差處理

復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結(jié)構(gòu)到功能的發(fā)展道路[1]。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)以及比較好的疲勞斷裂和耐磨腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，使得零件的減重效果高達(dá)30%，然而復(fù)合材料制成的零構(gòu)件要比金屬材料制成的相同零構(gòu)件成本高很多[2]。因此，在復(fù)合材料制造過程中出現(xiàn)的超差問題如何解決成為當(dāng)務(wù)之急。這不僅需要考慮該超差是否影響結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)，而且還需要權(quán)衡后續(xù)的裝配。

本文將探討復(fù)合材料制造過程中的缺陷原因和處理方法。復(fù)合制造缺陷包括外形尺寸缺陷，外觀質(zhì)量缺陷和內(nèi)部質(zhì)量缺陷。

1 外形尺寸缺陷

外形尺寸缺陷包括厚度超差、輪廓度超差和軸線超差。

1.1 厚度超差

厚度超差的原因：1）零件偏?。涸诹慵袒^程中樹脂流失過多；2）零件變厚：鋪貼過程中預(yù)壓實(shí)不夠或者在R角區(qū)域固化過程中樹脂容易堆積。

厚度超差對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響較大，工程一般都會(huì)對(duì)厚度超差在20%以內(nèi)的進(jìn)行層合板彈性性能，強(qiáng)度性能和整體承載能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估后再?zèng)Q定能否能繼續(xù)使用。對(duì)于超差20%以上的一般都會(huì)采取報(bào)廢或者增加特制件的方法。

1.2 輪廓度超差和軸線超差

輪廓度超差的原因：1）零件固化前后會(huì)回彈；2）復(fù)合材料和工裝的熱膨脹變形率不一致。

軸線超差一般出現(xiàn)在蒙皮與筋條共固化的時(shí)候，固化過程中由于工裝與復(fù)合材料熱膨脹變形率不一致。

輪廓度超差和軸線超差對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響較小，但是對(duì)裝配仍有可能出現(xiàn)干涉或者間隙，因此處理此類超差主要考慮與其他零件的裝配。

2 外觀質(zhì)量缺陷

外觀質(zhì)量缺陷包括表面劃傷、纖維褶皺、凹陷、凸起、翹曲和階差。

2.1 表面劃傷

表面劃傷大多為人為失誤造成。

表面劃傷的處理基于劃傷的深度，如果表面劃傷深度可接受，則會(huì)采用材料相應(yīng)的樹脂來填平，而如果劃傷深度不可接受則會(huì)考慮增加特制件或者報(bào)廢。

2.2 纖維褶皺、凹陷和凸起

纖維褶皺，排除人為因素，一般是由于處于工裝還不成熟階段。

凹陷和凸起是因?yàn)閴毫|軟膜不夠平整導(dǎo)致的。

纖維褶皺、凹陷和凸起對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度有一定的影響，可以通過圖1[3]來評(píng)估，與此同時(shí)還需采用一定的方法阻止以上缺陷引起的分層。

2.3 翹曲

翹曲的原因比較特殊，是由于鋪層不對(duì)稱造成。

翹曲對(duì)強(qiáng)度有一定影響，可通過強(qiáng)度計(jì)算評(píng)估，但是對(duì)于裝配卻有著重大影響。翹曲嚴(yán)重而又不容易變形的零件在裝配過程中無法糾正，會(huì)導(dǎo)致裝配不能貼合或者影響結(jié)構(gòu)功能正常使用。

2.4 階差

階差的原因是由于不同工裝在對(duì)接處樹脂在固化過程中流動(dòng)，且封裝時(shí)不同厚度處壓力存在差異。

階差的處理思路和纖維褶皺的類似，可參照處理。

3 內(nèi)部質(zhì)量缺陷

內(nèi)部質(zhì)量缺陷包括內(nèi)部分層和孔隙率超差。

3.1 內(nèi)部分層

內(nèi)部分層通常以分層面積大小來評(píng)估對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，分層出現(xiàn)的原因大多為工人鋪貼技藝不成熟。

內(nèi)部分層對(duì)強(qiáng)度的影響較大，工程上一般通過增加緊固件來預(yù)防分層的擴(kuò)展。

3.2 孔隙率超差

孔隙率超差的原因一般為工裝配合不緊密，沒有壓實(shí)。

孔隙率對(duì)復(fù)合材料的層間強(qiáng)度影響較大，從而會(huì)引起結(jié)構(gòu)的剛度折減，但對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小。需要評(píng)估折減后的剛度是否仍能滿足當(dāng)前結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

復(fù)合材料在制造使用過程中難免會(huì)出現(xiàn)缺陷或者超差，但是研究復(fù)合材料更重要的是如何處理超差才能彌補(bǔ)超差帶給整個(gè)裝配結(jié)構(gòu)的影響。本文僅給出了常用超差處理的方案研究，具體問題還需要具體分析。

【參考文獻(xiàn)】

[1]岳珠峰，王富生，王佩艷，等.飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[2]牛春勻.Composite airframe structures[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[3]F.C.Campbell.Structural Composite Materials[M].ASM International，449-451.

[責(zé)任編輯：田吉捷]