高模量碳纖維復合材料薄壁管件成型工藝優(yōu)化研究

王 洋 劉洪新 陳維強 黎 昱

(北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

高模量碳纖維復合材料薄壁管件成型工藝優(yōu)化研究

王 洋 劉洪新 陳維強 黎 昱

(北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

文 摘 為了獲得高模量碳纖維復合材料薄壁管件最佳成型工藝參數(shù)組合，通過正交試驗確定了纏繞工藝參數(shù)的大小順序，經(jīng)過進一步優(yōu)化試驗及對孔隙率和管件性能分析，得到擠膠裝置間隙為0.1～0.12 mm，膠液溫度為(40±2)℃，纖維纏繞張力為(10±2) N，加壓帶纏繞張力為40 N時，管件綜合性能最優(yōu)。

高模量碳纖維，薄壁管件，纏繞成型，優(yōu)化，復合材料

0 引言

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料因其使用環(huán)境苛刻，一般在保證強度的同時，還應盡可能提高其模量，因此在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上多采用高模量碳纖維復合材料。根據(jù)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上不同部位的承力需求，復合材料應用形式包括層合板件、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件、圓管件、方管件和波紋件等[1-4]，采用的成型方式較多，包括熱壓成型、RTM成型、RFI成型和纏繞成型等[5-9]。

高模量碳纖維復合材料薄壁管件可用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)，一般采用纏繞工藝成型。一方面由于管件壁厚較薄，為滿足結(jié)構(gòu)尺寸精度，應對壁厚進行嚴格控制；另一方面，薄壁管件對孔隙更敏感，需要提高成型質(zhì)量，這兩方面都與成型工藝密切相關。因此，本文主要針對高模量碳纖維復合材料薄壁成型工藝開展了纏繞參數(shù)和成型參數(shù)優(yōu)化實驗研究，為薄壁管件纏繞成型提供了實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 原材料

薄壁管件采用纏繞工藝制備，纖維采用HM-2高模量碳纖維，拉伸強度≥4 200 MPa，拉伸模量≥370 GPa，斷裂延伸率≥1.0%；樹脂采用BS-2樹脂，自制。薄壁管件固化前在其表面均勻纏繞加壓帶，固化制度為160℃/2 h。

1.2 薄壁管件規(guī)格

高模量碳纖維復合材料薄壁管件內(nèi)徑(24±0.05) mm，壁厚(0.6±0.05) mm，長度500 mm。

1.3 正交試驗

高模量碳纖維復合材料薄壁管件采用纏繞工藝成型，其中薄壁管件的壁厚是重要技術指標，而纖維絲束含膠量直接決定了薄壁管件的壁厚，一般要求含膠量在32%～38%。

在纏繞過程中，影響含膠量的因素較多，如纖維種類、膠液黏度、纏繞張力、纏繞速度、刮膠機構(gòu)、操作溫度及膠槽面高度等[9-10]。其中擠膠裝置間隙直接影響浸膠輥膠層厚度，膠液溫度影響膠液對碳纖維的浸潤性，纏繞張力不僅影響含膠量，同時影響產(chǎn)品成型的內(nèi)部質(zhì)量，上述因素是影響產(chǎn)品含膠量的三個最重要因素，故選取其進行正交試驗，并制定了三水平的正交試驗表，見表1。

表1 薄壁管件因素水平表

1.4 測試與表征

為了確定纏繞時膠液溫度，測試了BS-2樹脂的黏溫曲線，測試設備為美國TA公司的ARES-G2流變儀，升溫速率2℃/min，溫度范圍：室溫～180℃。

為了確定纏繞加壓帶的張力范圍，采用Instron 5982萬能試驗機測試了加壓帶的拉伸性能。

薄壁管件的孔隙率通過金相顯微鏡(Axio Observer.A1m)獲取試樣截面照片，然后用顯微鏡自帶軟件進行統(tǒng)計分析。

高模量碳纖維復合材料薄壁管件的拉伸和壓縮性能分別參照GB/T 5349《纖維增強熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗方法》和GBT5350《纖維增強熱固性塑料管軸向壓縮性能試驗方法》進行測定。由于薄壁管件的壁厚較小，為保證測試過程中不發(fā)生夾持段破壞，專門設計了內(nèi)外套筒保護試樣夾持段，試樣尺寸和結(jié)構(gòu)見圖1，試樣和套筒之間采用結(jié)構(gòu)膠黏劑連接。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗

通過正交試驗測試了不同膠液溫度、擠膠裝置間隙和纏繞張力下的管件壁厚，結(jié)果見表2。根據(jù)正交試驗結(jié)果進行極差分析，以找出最優(yōu)條件和各影響因素對指標影響的主次順序。表2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應數(shù)值為各因子水平的綜合值，K1、K2、K3對應數(shù)值為各因子水平的平均值，R為極差。

表2 正交試驗結(jié)果

從表2可以看出,纏繞過程影響因素的大小順序為：擠膠裝置間隙>膠液溫度>纏繞張力。

2.2 纏繞參數(shù)優(yōu)化

通過正交試驗確定了各影響因素的主次順序，首先考察擠膠裝置間隙對薄壁管件壁厚的影響。將膠液溫度設為40℃，纏繞張力設為10 N，擠膠裝置間隙分別選擇了0.08、0.10、0.12和0.14 mm，得到的管件壁厚分別為0.53、0.61、0.63和0.70 mm。

由試驗結(jié)果可以看出，隨著擠膠裝置間隙增大，管件壁厚增加。擠膠裝置在纏繞過程中主要將纖維絲束的多余樹脂擠出，其間隙越小，纖維絲束擠出的樹脂越多，纖維絲束的含膠量越少，因此管件壁厚也相應降低。

當擠膠裝置間隙為0.10和0.12 mm時，管件的壁厚分別為0.61和0.63 mm，滿足薄壁管件制備要求，因此可將擠膠裝置的間隙設置在0.10～0.12 mm。

接著考察膠液溫度對薄壁管件厚度的影響。膠液溫度直接影響樹脂黏度，一般適合纏繞成型的樹脂黏度范圍是0.4～1.0 Pa·s，為了考察合適BS-2樹脂纏繞的膠液溫度范圍，測試了BS-2樹脂的升溫流變曲線，結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，在35～45℃時BS-2樹脂的黏度接近纏繞成型黏度范圍，可在此溫度區(qū)間選擇。

將擠膠裝置間隙設為0.10 mm，纏繞張力設為10 N，膠液溫度分別選取35、38、40、42和45℃，得到的管件壁厚結(jié)果及不同溫度下的樹脂黏度列于表3。

表3 不同膠液溫度下的樹脂黏度和管件壁厚

由表3可見，在考察溫度范圍內(nèi)，溫度升高，樹脂黏度下降，管件壁厚減薄。樹脂黏度下降，纖維絲束上黏附的樹脂量減少，導致管件壁厚減薄。當溫度在38～42℃時，管壁厚度為0.57～0.64 mm，滿足薄壁管件制備要求，因此可將膠液溫度設定在(40±2)℃。

接著考察了不同纏繞張力對管件壁厚的影響，將擠膠裝置間隙設為0.10 mm，膠液溫度設為40℃，考察的纏繞張力包括8、10、12和14 N，得到的管件壁厚分別為0.61、0.61、0.59和0.58 mm。

隨著纏繞張力的增大，管件壁厚略有降低，但降幅不明顯，這說明纏繞張力對管件壁厚的影響不明顯。此外，在考察的纏繞張力范圍內(nèi)，管件壁厚均滿足制備要求，選取最接近0.6 mm壁厚的纏繞張力，因此確定纏繞張力在(10±2)N。

經(jīng)過纏繞參數(shù)的優(yōu)化和驗證，最終確定的工藝參數(shù)為：擠膠裝置間隙：0.1～0.12 mm；膠液溫度：(40±2)℃；纖維纏繞張力：(10±2)N。

2.3 成型參數(shù)優(yōu)化

在高模量碳纖維復合材料薄壁管件固化成型前，采用加壓帶提高管件表面和內(nèi)部質(zhì)量。在纏繞加壓帶時，需要對加壓帶施加一定的張力，而加壓帶張力的大小對薄壁管件的成型質(zhì)量是有影響的。為了確定施加張力的大小，首先考察了加壓帶的拉伸性能，其拉伸載荷-位移曲線見圖3?？梢钥闯觯訅簬г?0 N前是彈性變形，60 N以后呈現(xiàn)屈服變形，直至破壞時的載荷約為80 N。由此可以確定，加壓帶纏繞張力選取不得超過60 N。

因此，分別采用20、30、40和50 N的纏繞張力制備薄壁管件，測試了不同加壓帶張力下孔隙率，結(jié)果分別為1.14%、0.25%、0.17%和0.15%。

從金相照片可以看出，當加壓帶纏繞張力為20 N時，管件上的孔隙明顯，隨著纏繞張力增加，孔隙逐漸減少，當纏繞張力為40和50 N時，未觀察到明顯孔隙。從孔隙率結(jié)果也可得到驗證，加壓帶纏繞張力為20 N時，孔隙率為1.14%，當纏繞張力提高到30 N時，孔隙率下降到0.25%，效果明顯；但當加壓帶纏繞張力為40和50 N時，孔隙率分別為0.17%和0.15%，其孔隙率已經(jīng)很低。

同時考察了不同加壓帶纏繞張力下薄壁管件拉伸和壓縮性能，結(jié)果見表4和表5。

表4 不同加壓帶張力下的薄壁管件拉伸性能

表5 不同加壓帶張力下的薄壁管件壓縮性能

由表4可知，隨著加壓帶張力增大，拉伸強度逐漸升高，而拉伸模量變化不大，當纏繞張力為50 N時，拉伸強度最大，達到1 359 MPa。由表5可知，加壓帶張力增大，壓縮強度逐漸增大，在40 N時壓縮強度最大，達774 MPa，而50 N時壓縮強度略有下降，壓縮模量變化不明顯。綜合考慮拉伸和壓縮性能的變化，當加壓帶張力為40 N時，其性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

(1)通過正交試驗確定了影響薄壁管件壁厚的因素大小順序，擠膠裝置間隙對壁厚影響最大，其次是膠液溫度，再次是纖維纏繞張力。

(2)通過進一步優(yōu)化試驗確定了高模量碳纖維復合材料薄壁管件纏繞參數(shù)，擠膠裝置間隙為0.1～0.12 mm，膠液溫度為(40±2)℃，纖維纏繞張力為(10±2) N。

(3)當加壓帶纏繞張力為40N時，管件孔隙率較小，且綜合力學性能最好。

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Optimization of Forming Process of High Modulus Carbon Fiber Reinforced Composite Thin-Wall Cylindrical Tube

WANG Yang LIU Hongxin CHEN Weiqiang LI Yu

(Beijing Spacecrafts Factory, Beijing 100094)

Aimed at the optimal technological condition of filament winding process for high modulus carbon fiber reinforced composite thin-wall cylindrical tube, the orthogonal experiments for winding process factors were designed and performed to confirm the order of these studied factors. According to the results of the further optimization tests, the metallographic test and tensile and compressive property tests, the synthetical performance of cylindrical tube reaches the optimization, when squeeze equipment gap is 0.1 to 0.2 mm,glue temperature is (40±2)℃, Winding tension is (10±2) N, the pressurized tape tension is 40 N.

High modulus carbon fiber, Thin-wall cylindrical tube, Filament winding, Optiglmization, Composite

2016-12-03

王洋，1984年出生，工程師，主要從事復合材料成型工藝研究。E-mail：wangyang__529@163.com

TB332

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.013