閃電防護銅網(wǎng)在航空復材制件VARI成型工藝中的樹脂導流應用

（上海飛機制造有限公司，上海201324）

航空安全一直是備受矚目的話題，尤其民航飛機由于起降飛行頻繁，雷擊、閃電等不可抗拒的自然因素，一直是航空飛行的安全隱患[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，飛機日利用率若達到10h，每10個月就可能被閃電擊中一次。因而，閃電防護是飛機設計制造過程中必須考慮的重要內(nèi)容，是保證飛行安全的重要措施之一[3-5]。隨著先進復合材料優(yōu)異性能的不斷顯現(xiàn)，其替代鋁合金等金屬材料，在飛機結(jié)構(gòu)中的用量不斷提升，空客和波音最新的機型A350和波音787等復合材料的結(jié)構(gòu)重量已經(jīng)超過了50%[6-8]。但復合材料的抗雷擊損傷能力比鋁合金等金屬材料要差，這也對航空復材制件的閃電防護提出了新的要求。目前，國際通用的復合材料結(jié)構(gòu)閃電防護措施，是在復材結(jié)構(gòu)件的制造過程中，在需防護面加入金屬網(wǎng)，或者通過火焰、離子噴涂等措施引入金屬涂層，通過金屬網(wǎng)或涂層將雷擊電流引走，而引入金屬網(wǎng)用作閃電防護層的措施更加常用，一般采用的金屬網(wǎng)是銅網(wǎng)或鋁網(wǎng)[9-11]。

另一方面，隨著航空復材制件在民機結(jié)構(gòu)中的大量應用，其制造成本較高的問題也愈發(fā)凸顯，降低制造成本已成為促進航空復材制件應用發(fā)展的重要因素。由此，以液體成型技術為代表的復材低成本制造技術應運而生，并備受矚目。RTM樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molding）和VARI真空輔助樹脂注射成型（Vacuum Assisted Resin Infusion），是液體成型技術的典型代表[12-13]。VARI工藝是在RTM工藝基礎上發(fā)展而來，VARI工藝是在單面剛性模具上以柔性真空袋薄膜包覆、密封纖維增強材料，然后在真空負壓下排除模腔中的氣體，利用樹脂的流動、滲透實現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在非熱壓罐條件下（固化爐）固化成型的一種工藝方法[12-16]。波音787機翼襟副翼、龐巴迪Learjet 85公務機的機翼壁板等，都成功采用VARI工藝制備，據(jù)報道俄羅斯正在研制的MS-21型客機，整個機翼包括壁板、梁等結(jié)構(gòu)件，均采用VARI等先進液體成型工藝制造。

而VARI工藝面臨的一個問題是，注膠過程中通常會采用一層導流網(wǎng)（一般為聚合物材料）鋪覆在制件表面，促進樹脂的滲透和流動，在制件固化成型后，導流網(wǎng)上富集的過量樹脂會連同導流網(wǎng)一起從制件表面剝離去除，這在航空復材制件的工業(yè)化大量生產(chǎn)中將會造成極大的浪費。此外，在導流網(wǎng)的機械剝離過程中也易造成復材制件的表面質(zhì)量缺陷。

由上所述，一方面是銅網(wǎng)在航空復材制件表面用作閃電防護層；另一方面，常用導流網(wǎng)在VARI成型工藝中造成大量浪費，也易引起質(zhì)量問題，將這兩方面的需求相結(jié)合，本文提出在表面應用類的航空復材制件（如蒙皮、壁板等）的VARI成型工藝中，將閃電防護銅網(wǎng)用作導流介質(zhì)，將銅網(wǎng)的閃電防護作用和樹脂導流作用進行集成，并對閃電防護銅網(wǎng)在VARI工藝中的樹脂滲透效果進行試驗研究。本研究對于豐富復材VARI成型工藝技術手段，提升VARI工藝的綜合經(jīng)濟性，進一步拓展VARI工藝在民機復材結(jié)構(gòu)中的應用具有積極意義，也為VARI成型工藝制備的閃電防護復材制件在飛機結(jié)構(gòu)中的設計與應用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原料與設備

原 材 料：NCF纖 維 布 SCF35S（12K，260gsm SAERTEX公司）；為方便觀察研究，試驗未采用高溫固化樹脂，而采用低溫固化樹脂EPOLAM5015樹脂和5014固化劑（AXSON TECHNOLOGIES公司）；閃電防護銅網(wǎng)CYB9T21（Dexmet Corporation公司）；導流網(wǎng)RESINFLOW 90HT（AIRTECH公司），耐溫218℃；真空袋膜；四氟可剝布；螺旋管；導管等。

圖1（a）展示了試驗所用NCF纖維布，該NCF布纖維絲束排布致密平滑，在操作中鋪貼性能很好，這得益于其獨特的編紡方式，其編紡線并非簡單與纖維絲束垂直，而是呈鎖型走線，設置巧妙，既可以有效固定纖維絲束，又保持了較好的柔韌度。此外，其料片背面帶有一薄層粉末定型劑，利于操作，便于預成型體制備過程中的料片定型。圖1（b）是試驗所用的90HT導流網(wǎng)，為業(yè)界常用產(chǎn)品，可以看到，該導流網(wǎng)平均孔徑較大，約9mm2，而在VARI工藝中制件經(jīng)注膠固化后，導流網(wǎng)的孔洞均會充滿樹脂，在導流網(wǎng)上也會富集一層樹脂，可見，這將造成樹脂的浪費，尤其工業(yè)生產(chǎn)中航空復材制件一般采用高溫固化樹脂，帶來的成本浪費更大。圖1（c）是試驗所用的閃電防護銅網(wǎng)，該銅網(wǎng)厚度較薄，材質(zhì)柔軟，剪裁和鋪貼的操作性很好。

試驗設備：GERBER Cutter自動下料機、Al平板工裝、固化爐（溫度波動≤±1℃）、真空泵等。

圖1 試驗所用NCF料片、導流網(wǎng)和閃電防護銅網(wǎng)Fig.1 NCF, flow mesh and lightning-strike-protection copper mesh used in the experiments

1.2 試驗方案

試驗通過VARI工藝制備平面尺寸相同的復材層壓板，如圖2所示，分別采用導流網(wǎng)和閃電防護銅網(wǎng)（以下簡稱銅網(wǎng)），進行表面導流，并與無導流的層板進行對比，分析在導流網(wǎng)、不同厚度銅網(wǎng)導流以及無導流情況下的樹脂滲透情況，并將層板固化，研究銅網(wǎng)在層板表面的成型質(zhì)量。

圖2 對比樹脂滲透率的試驗示意圖Fig.2 Schematic of the resin permeability measure method in the experiment

制備層板的NCF鋪層數(shù)設定為8層，鋪層順序為[（+45°，-45°）/（0°，90°）/ （-45°，+45°）/（90°，0°）/（0°，90°）/ （+45°，-45°）/（90°，0°）/（-45°，+45°）]，單層料片尺寸為100mm×300mm。試驗中NCF料片通過自動下料機下料，然后在平板工裝上進行手工鋪貼。鋪貼過程中通過電熨斗熱熨料片，將料片背面的定型劑加熱熔化實現(xiàn)料片貼合定位，鋪貼第1層打真空袋，之后每4層料片打真空袋，保壓15min，以促進料片壓實。

在NCF料片最上層，鋪放銅網(wǎng)或?qū)Я骶W(wǎng)，由于銅網(wǎng)厚度較?。?.1mm），試驗采用1層、2層、4層的銅網(wǎng)以對比不同厚度銅網(wǎng)的導流效果，如圖3所示，從左向右，銅網(wǎng)層數(shù)分別為0、1、2、4層。銅網(wǎng)上覆蓋四氟可剝布，以防銅網(wǎng)邊緣刺破真空袋膜，同時便于注膠固化后，清除層板表面的真空袋。需要說明的是，為便于觀察記錄樹脂的流動情況，試驗中將銅網(wǎng)置于試件的貼袋面而非貼模面，在后續(xù)的工作中，將進一步構(gòu)建銅網(wǎng)在貼模面的相關試驗與測試。

每個試樣彼此獨立打袋，如圖4所示，5個試樣從左向右依次為無導流、1層銅網(wǎng)、2層銅網(wǎng)、4層銅網(wǎng)和導流網(wǎng)。兩個試樣間使用密封膠條進行隔離，進出膠管路通過開關閥門控制并彼此隔離，從而盡可能避免導流試驗時不同試樣間由于滲透速率不同而產(chǎn)生的相互影響。同時，為方便試驗記錄，在真空袋表面標記上垂直于滲透方向的刻度標線，相鄰刻度線的間距為10mm。試驗過程中，在室溫下注膠，記錄樹脂前鋒達到刻度線所需的時間，輔以攝像記錄每個試樣的注膠過程，方便后續(xù)分析研究。

圖3 NCF料片上鋪放的不同層數(shù)的銅網(wǎng)Fig.3 Different layers of copper meshes on the NCF laminates

圖4 打袋封裝后的5塊試驗層板Fig.4 Five experimental laminates after bagging

每個試樣注膠結(jié)束后，立即打外層真空袋保壓。待所有試樣均注膠結(jié)束后，將體系轉(zhuǎn)移至固化爐中，保持外層真空袋壓力，在固化爐中，70℃固化1h。固化結(jié)束后，關閉加熱，隨爐冷卻。待試樣冷卻至室溫后，脫模清理。

2 結(jié)果與討論

2.1 引入銅網(wǎng)導流的VARI制件注膠情況分析

引入銅網(wǎng)后，試驗中通過觀察試樣的注膠情況，可以明顯的發(fā)現(xiàn)銅網(wǎng)的引入起到了預期的導流作用。同時啟動1層銅網(wǎng)導流和無導流的兩個試樣的注膠（兩試樣獨立注膠），如圖5（a）所示，盡管銅網(wǎng)較薄，僅約0.1mm厚，但其仍發(fā)揮了一定的樹脂導流作用，可以看到，在單層銅網(wǎng)的導流作用下，其樹脂的流動前鋒明顯領先于無導流的試樣，領先約30mm。

圖5 引入銅網(wǎng)導流的VARI制件注膠情況Fig.5 Resin infusion of the VARI laminates with copper mesh as flow media

進一步對比4層銅網(wǎng)和導流網(wǎng)兩個試樣的樹脂流動情況，如圖5（b）所示，同時啟動注膠后，4層銅網(wǎng)的樹脂流動前鋒盡管流動較快，但仍要落后于導流網(wǎng)，這主要是由于銅網(wǎng)和導流網(wǎng)的厚度差異所致，4層銅網(wǎng)厚度約0.4mm，僅為導流網(wǎng)厚度的1/2，而且從圖1試驗材料的對比上也可以看到，由于試驗材料的限制，試驗所用銅網(wǎng)的孔徑明顯小于導流網(wǎng)，銅網(wǎng)更加致密，也導致其導流效果不及常用導流網(wǎng)。

在試驗中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著銅網(wǎng)層數(shù)的增加，樹脂的流動速度明顯加快，表1記錄了各個試樣的樹脂流動前鋒到達50mm處的凈耗時，除了使用導流網(wǎng)外，4層銅網(wǎng)的試樣耗時最短，用時15s，僅為單層銅網(wǎng)耗時（116s）的1/8，為無導流試樣耗時（170s）的1/11。這也說明在一定范圍內(nèi)，隨著銅網(wǎng)層數(shù)的增加，其對樹脂的導流作用更顯著。對于銅網(wǎng)導流下的樹脂滲透率將在下文中作進一步分析。

表1 各試樣樹脂流動前鋒到達50mm刻線處的凈耗時

2.2 導流銅網(wǎng)層數(shù)對VARI制件樹脂滲透率的影響分析

在VARI成型工藝中，樹脂滲透率是一個重要的因素。滲透率表征了樹脂流過干纖維預成型體的難易程度，其值越大，表明樹脂流過預成型體的阻力就越小。由于導流介質(zhì)的引入，在預成型體材料及鋪層形式相同的條件下，尤其對于本試驗的VARI層壓板試樣，分析滲透率也可以為導流介質(zhì)的導流能力評價提供參考。

式中，Q為樹脂流量，ν為樹脂流速，A為橫截面積，Vf為纖維體積含量。

由式（1）～（3）可得，

對式（5）兩邊積分，可得：

由式（7）可以看出，當其他試驗條件一定時，樹脂流動距離的平方與流動時間的比例，可以反映出滲透率的大小[17-18]。由此，通過分析試驗得到的樹脂流動距離的平方與時間關系曲線，可以便捷地比較擬合曲線的斜率，斜率越大，對應的滲透率越高，在本試驗中，也可以認為相應的導流介質(zhì)的導流作用越好。這也是一種較便捷的試驗方法，用以研究銅網(wǎng)引入對樹脂滲透率的影響。

將試驗中各個試樣的樹脂流動和時間數(shù)據(jù)進行處理，得到流動時間-距離平方的關系圖，如圖6所示?？梢钥吹?，1、2、4層銅網(wǎng)導流及導流網(wǎng)對應的各條曲線，呈較好的線性關系，表明試驗結(jié)果較理想。而且，隨著銅網(wǎng)層數(shù)的增加，曲線斜率隨之上升，4層銅網(wǎng)導流下的樹脂滲透率最大。

進一步對各條曲線進行擬合，得到各試樣樹脂流動的擬合曲線斜率比結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹?，當導流銅網(wǎng)層數(shù)較少、厚度較薄時，如本試驗中的1～2層銅網(wǎng)，對應曲線的斜率較小，其導流效果較差。當銅網(wǎng)達到一定層數(shù)和厚度時，對應曲線的斜率明顯提升，4層銅網(wǎng)對應的曲線斜率是1層銅網(wǎng)的6倍，是2層銅網(wǎng)的5倍，其導流作用明顯提升，對應樹脂的滲透率顯著增大。

圖6 各試樣的樹脂流動距離的平方與時間關系曲線Fig.6 Relationship between the square of resin flow distance and time

圖7 各試樣樹脂流動曲線擬合斜率的對比Fig.7 Histogram of the slope values under compare

2.3 引入銅網(wǎng)導流的VARI制件成型效果與表面質(zhì)量

最終制件的成型效果與表面質(zhì)量，是衡量引入銅網(wǎng)導流的VARI工藝效果的關鍵評價指標。經(jīng)固化、脫模清理后得到的制件如圖8所示，可以看到，固化得到的各試樣表面質(zhì)量較好，未出現(xiàn)明顯的貧膠及干斑等缺陷，尤其表面銅網(wǎng)與制件貼合很好，即便4層銅網(wǎng)（圖8（c））仍能很好貼合。對比圖 8（a）、8（b）和 8（c），可以看到，隨著表面銅網(wǎng)層數(shù)的增加，其表面銅黃色逐漸加深，而且銅網(wǎng)表面均十分平整，在注膠、固化以及脫模清理的過程中，未發(fā)生損傷破壞，生產(chǎn)操作性較好。后續(xù)也將對制件的防雷擊性能開展進一步的研究，進一步完善該工藝的應用準備。

以上說明，閃電防護銅網(wǎng)的引入，在VARI工藝的注膠過程中起到了很好的導流作用，能較好地滿足形狀較簡單復材制件的VARI工藝制備，同時實現(xiàn)較高的制件表面質(zhì)量，而且該工藝技術具有較強的生產(chǎn)適用性。

圖8 使用導流介質(zhì)固化后的VARI層板Fig.8 VARI laminates using flow media after curing

3 結(jié)論

（1）在復材制件的VARI成型工藝中，閃電防護銅網(wǎng)的引入可以起到有效的導流作用。即便厚度較薄的單層銅網(wǎng)注膠過程中，亦可見其樹脂的流動前鋒明顯領先于無導流的試樣。在一定范圍內(nèi)，隨著銅網(wǎng)層數(shù)的增加，其對樹脂的導流作用也更加顯著。

（2）本文采用一種較便捷的試驗測試方案，通過記錄樹脂流動前鋒到達試樣固定距離處所需的時間，并對試驗所得數(shù)據(jù)結(jié)合推導的公式進行處理，從而對引入銅網(wǎng)導流后銅網(wǎng)層數(shù)對樹脂滲透率的影響進行了量化對比分析。研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著銅網(wǎng)層數(shù)的增加，其導流作用提升，對應樹脂的滲透率增大。

（3） 引入銅網(wǎng)導流的VARI工藝所得到的固化制件銅網(wǎng)表面平整，且與制件貼合很好，制件表面質(zhì)量較高，該工藝技術具有較強的生產(chǎn)適用性。

參 考 文 獻

[1]贠欽東. 飛機結(jié)構(gòu)雷擊損傷和修理[J]. 中國民用航空，2009(9)：71-72.YUN Qindong. Lightning damage and repair of aircraft structure[J].China Civil Aviation, 2009(9)： 71-72.

[2]SWEERS G, BIRCH B, GOKCEN J. Lightning strikes：Protection, inspection, and repair[J]. Boeing, 2004(12)： 19-28.

[3]王天順，雷虹，李鋒，等. 飛機雷電防護設計與鑒定試驗[J].飛機設計，2009(5)：54-59.WANG Tianshun, LEI Hong, LI Feng, et al. Aircraft lightning protection design and identification test[J]. Aircraft Design，2009(5)：54-59.

[4]肖桂兵. 飛機雷擊的防護、檢查和修理[J]. 中國民用航空，2015(4)：86-88.XIAO Guibing. Lightning protection, inspection and repair of aircraft[J]. China Civil Aviation, 2015(4)： 86-88.

[5]BOUQUEGNEAU C. A critical view on the lightning protection international standard[J]. Journal of Electrostatics, 2007, 65(5)： 395-399.

[6]任曉華. 航空復合材料制造技術發(fā)展[J]. 航空科學技術，2010(4)：2-4.REN Xiaohua. Development of aeronautical composite manufacturing technology[J]. Aeronautical Science and Technology, 2010(4)： 2-4.

[7]沈真. 碳纖維復合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應用[J]. 高科技纖維與應用，2010(4)：1-4.

SHEN Zhen. Application of carbon fiber composites in aircraft structure[J]. Hi-Tech Fiber & Application, 2010(4)：1-4.

[8]周雷敏，孫沛. 波音787客機的復合材料國際化制造[J]. 高科技纖維與應用，2013(2)：57-61.ZHOU Leimin, SUN Pei. Boeing 787 composites’ international manufacturing[J]. Hi-Tech Fiber & Application, 2013(2)：57-61.

[9]GARDNER G. Lightning strike protection for composite structures[J]. High Performance Composites, 2006, 14(4)： 44.

[10]羅騰騰. 某型飛機復合材料后機身閃電防護設計及應用研究[J]. 民用飛機設計與研究，2014(3)：53-55.LUO Tengteng. Design and application of the lightning strike protection on the rear fuselage with composite materials[J]. Civil Aircraft Design and Research, 2014(3)：53-55.

[11]GAGNé M, THERRIAULT D. Lightning strike protection of composites[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2014, 64： 1-16.

[12]BROUWER W D, VAN HERPT E, LABORDUS M. Vacuum injection moulding for large structural applications[J]. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing, 2003, 34(6)： 551-558.

[13]梅啟林，冀運東，陳小成. 復合材料液體模塑成型工藝與裝備進展[J]. 玻璃鋼/復合材料，2014(9)：52-62.MEI Qilin, JI Yundong, CHEN Xiaocheng. Progress on the technology and equipment of liquid molding compound material[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2014(9)：52-62.

[14]劉強，趙龍，曹正華. VARI工藝成型纖維增強樹脂復合材料層合板厚度和纖維體積分數(shù)的影響因素[J]. 復合材料學報，2013(6)：90-95.LIU Qiang, ZHAO Long, CAO Zhenghua. Influence factors of thickness and fiber volume fraction of fiber reinforced resin composite laminates with VARI process[J]. Acta Materiae Compositae Sinica，2013(6)：90-95.

[15]SUMMERSCALES J, SEARLE T J. Low-pressure (vacuum infusion) techniques for moulding large composite structures[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L： Journal of Materials Design and Applications, 2005, 219(1)： 45-58.

[16]徐東明，劉興宇，楊慧. 低成本真空輔助成型技術在民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)上的應用[J]. 航空制造技術, 2014(S2)： 87-89.XU Dongming, LIU Xingyu, YANG Hui. Application of low-cost vacuum assisted molding process in composites structure of civil aircraft[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2014(S2)：87-89.

[17]BENDER D, SCHUSTER J, HEIDER D. Flow rate control during vacuum-assisted resin transfer molding (VARTM) processing[J].Composites Science and Technology, 2006, 66(13)： 2265-2271.

[18]史俊虎，余啟勇，王滿昌，等. 一種快速比較纖維/樹脂滲透率的方法研究[J]. 玻璃鋼/復合材料，2011(4)：24-26.SHI Junhu, YU Qiyong, WANG Manchang, et al. Research on fast comparison of permeability between the fiber and resin[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2011(4)： 24-26.