硅橡膠熱膨脹成型復(fù)合材料力學(xué)性能研究

易文清，寧曉磊，李金良，王海東

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

硅橡膠熱膨脹成型復(fù)合材料力學(xué)性能研究

易文清，寧曉磊，李金良，王海東

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對小型深腔薄壁、多腔結(jié)構(gòu)體復(fù)合材料制品難以成型，脫模困難等問題，實驗探索硅橡膠熱膨脹成型工藝。通過試驗，摸索出適合生產(chǎn)加工條件的工藝間隙公式。比較了不同工藝間隙制備出試片的力學(xué)性能。而且制備出小型殼體產(chǎn)品，為熱膨脹成型工藝在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方面的制造提供了實驗數(shù)據(jù)。

復(fù)合材料;硅橡膠;熱膨脹

0 引言

復(fù)合材料具有重量輕、模量高、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)低等特點，近年來在航空、航天、電子以至日常生活等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料常規(guī)成型工藝方法有真空袋熱壓罐法、模壓成型、手糊成型、纏繞成型等。但在制備形狀復(fù)雜、多腔等結(jié)構(gòu)時存在成本高、產(chǎn)品厚度不均、局部結(jié)構(gòu)不密實、脫模困難、制造難度大等問題。

熱膨脹成型工藝是以熱膨脹系數(shù)較大的材料為芯模，烘箱加熱產(chǎn)生壓力制備產(chǎn)品[1]，能夠克服外壓難以傳遞均勻的不足。但是硅橡膠熱膨脹工藝的壓力時間控制較難，筆者就此問題進行了研究并做了工藝試驗，對工藝進行了優(yōu)化，并采用硅橡膠熱膨脹工藝制備了小尺寸的深腔殼體結(jié)構(gòu)。

圖1 硅橡膠熱膨脹成型原理

1 硅橡膠熱膨脹原理

采用熱膨脹硅橡膠成型復(fù)合材料天線罩，它的熱膨脹成型原理如圖1。

硅橡膠在復(fù)合材料成型溫度下，產(chǎn)生所需的膨脹壓力，從而制備出結(jié)構(gòu)密實的復(fù)合材料整體件。

文獻[2][3]提供硅橡膠芯模在封閉腔體中的熱膨脹壓力P可按公式(1)計算。

(1)

熱膨脹硅橡膠的線膨脹系數(shù)，體積彈性模量，溫度-壓力曲線，我國還沒有建立標(biāo)準(zhǔn)的測試方法。無法準(zhǔn)確地把握產(chǎn)生加壓點以及壓力大小，給具體生產(chǎn)中熱膨脹硅橡膠模具的設(shè)計和復(fù)合材料成型操作帶來一定的困難。針對這一情況進行了具體的摸索研究。

2 實驗方法

2.1 模具準(zhǔn)備

2.1.1 硅橡膠軟模的制備

(1) 機加工出軟模的母模;

(2) 以合適的配比將硅橡膠的AB膠液混合均勻，采用真空脫泡進行除泡處理;

(3) 將膠液緩緩倒入母模進行硫化。

2.1.2 金屬陰模的制備

機加工法制備出外模。

2.2 工藝間隙的設(shè)計

工藝間隙最終經(jīng)過試驗修正才能達到要求。研究者對此做了一些研究得出了適合生產(chǎn)的公式:

(2)

其中λ為試驗所得修正系數(shù)，需要根據(jù)生產(chǎn)研究實際情況來摸索。

實驗分別采用熱壓罐法和熱膨脹法兩種工藝方法并采用不同的工藝間隙制備碳纖維試片，對結(jié)果進行對比觀察[4]。如表1所示。

表1 對比試驗

2.3 力學(xué)性能測試

按照美標(biāo)ASTMD3039、ASTMD7264對熱壓罐、軟模熱膨脹兩種成型工藝在不同的工藝參數(shù)下制備碳纖維試板，進行力學(xué)性能測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 固化后外觀現(xiàn)象

實驗分別采用熱壓罐法和熱膨脹法兩種工藝方法，并采用不同的工藝間隙制備碳纖維片，制備的試片外觀情況如表2。

表2 固化后外觀與工藝間隙

3.2 樹脂凝膠時間與溫度關(guān)系

從供應(yīng)商提供材料可知，原材料碳纖維預(yù)浸料所用的樹脂凝膠溫度為120℃。在本實驗中，由于烘箱內(nèi)空氣溫度與產(chǎn)品溫度存在溫差，在120℃左右溫度時候固化速度非常慢，在加壓后有大量膠流出，觀察流出的膠固化情況。發(fā)現(xiàn)固化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過60min，證明烘箱顯示溫度與預(yù)浸料實際溫度存在溫差。金屬模具溫度約比烘箱顯示溫度約低20℃，預(yù)浸料溫度約比烘箱顯示溫度低30℃。隨著保溫時間的延長，溫差減小，實際樹脂凝膠時間曲線如圖2。

3.3 壓力公式

有文獻記載碳纖維預(yù)浸料成型壓力Pgel一般要求大于0.6MPa。由此可以算出ΔV,進而可以算出工藝間隙[5]。綜合實驗實際情況總結(jié)出，本組實驗所用的烘箱設(shè)定空氣溫度與金屬模具內(nèi)預(yù)浸料溫度之差大約為30℃，預(yù)浸料與30mm厚的硅橡膠溫差大約為20℃。推測出λ=1/9。公式為：

(3)

在不同的工藝間隙以及不同的溫度時代入公式進行計算。得到不同溫度下壓力曲線如圖3。

圖2 樹脂的凝膠時間曲線

圖3 不同工藝間隙的溫度-壓力曲線

當(dāng)顯示溫度為120℃時，樹脂溫度大約為90℃，流動性較差，黏度大，各組芯模提供的壓力較小或者無壓力，四組試驗都沒有出現(xiàn)流膠現(xiàn)象。顯示溫度為140℃左右時，預(yù)浸料達到110℃，樹脂粘度迅速降低，H1試驗中工藝間隙較小，硅橡膠提前加壓，試板有大量流膠，導(dǎo)致有孔隙發(fā)生。H2的有少量流膠，工藝間隙H3和H4的幾乎沒有流膠。烘箱顯示溫度為150℃左右時，預(yù)浸料剛達到凝膠點，開始固化。H3、H4的壓力不到0.6Mpa，制備的試片沒有壓實，制出的試片出現(xiàn)分層，疏松現(xiàn)象。H2壓力達到0.74Mpa，表面光滑無孔隙，以上計算所得的數(shù)據(jù)與試驗現(xiàn)象吻合，證實了經(jīng)驗公式(3)的實用性。

3.4 力學(xué)性能分析

依據(jù)ASTMD3039《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》對碳纖維拉伸試片進行了拉伸強度、拉伸模量測試。結(jié)果如圖4、圖5。(工藝間隙為0時，采用熱壓罐法，其余為熱膨脹法)

圖4 彎曲強度和彎曲模量

圖5 拉伸強度和模量

由圖4、圖5看以看出，熱膨脹法制備的產(chǎn)品拉伸、彎曲強度和模量基本能達到熱壓罐工藝的水平，制出質(zhì)量較好的產(chǎn)品。軟模成型試件的拉伸強度比熱壓罐成型法的試件低了2.5%，彎曲強度增加了9.6%，在滿足設(shè)計的需要同時也降低了成本。

熱膨脹方法制備的試件中，通過測試表明，隨著工藝間隙的增加碳纖維試件的拉伸強度和模量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。推測在工藝間隙0.7mm組中，樹脂剛達到黏流狀態(tài)還未開始固化時，硅橡膠就過早提供壓力，導(dǎo)致膠液過度流失而貧膠，試件韌性很低，彎曲強度和拉伸強度都較低。當(dāng)工藝間隙增加到1.3mm時，硅橡膠芯模能提供足夠的成型壓力，同時也不會導(dǎo)致過度的流膠現(xiàn)象，試件各層之間結(jié)合較好，織物與樹脂試件較好地結(jié)合，織物和樹脂配比適當(dāng)，強度較高。當(dāng)工藝間隙繼續(xù)增大時，硅橡膠芯模對試驗件產(chǎn)生的壓力也急劇的降低，在凝膠溫度時不能提供足夠的壓力，導(dǎo)致樹脂和織物各層之間的結(jié)合不夠嚴(yán)實，甚至出現(xiàn)肉眼可見的產(chǎn)品分層現(xiàn)象，拉伸強度和彎曲強度都大大降低。

工藝間隙對成型效果影響很大，隨著工藝間隙的增大，制備的碳纖維產(chǎn)品拉伸、彎曲強度出現(xiàn)先增大后下降的趨勢。實驗中，工藝間隙為1.3mm時效果最佳。熱膨脹法成型試件的拉伸強度比熱壓罐成型法的試件低了2.5%，彎曲強度增加了9.6%，滿足設(shè)計的需要。

圖6 成型產(chǎn)品

4 復(fù)合材料薄殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實例

用硅橡膠作為芯模，采用熱膨脹工藝制備了小尺寸復(fù)合材料薄殼產(chǎn)品如圖6所示，制備的小天線外觀平整光滑、無氣泡、無貧膠現(xiàn)象。厚度均勻，外觀尺寸和定位尺寸完全滿足設(shè)計要求。具有推廣應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

(1) 通過硅橡膠熱膨脹工藝研究，摸索出適合現(xiàn)場生產(chǎn)條件的經(jīng)驗公式，成功的指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。

(2) 在合理工藝間隙下制備的復(fù)合材料試片綜合力學(xué)性能要比熱壓罐成型要好，成型后的復(fù)合材料層板外觀光滑致密無肉眼可見孔隙。

(3) 熱膨脹工藝設(shè)計的加壓溫度范圍內(nèi)可產(chǎn)生全方位、多角度的足夠壓力，為之后的小型復(fù)雜的復(fù)合材料天線罩，彎曲、異形的復(fù)合材料管、梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)多框、加筋、薄壁腔體等的低成本制造提供新的技術(shù)途徑和實驗依據(jù)。

[1] 孫巍，陳革，曾竟成,等.復(fù)合材料成型模具用硅橡膠性能測試[C].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),1997.

[2] 靳武剛.復(fù)合材料熱膨脹成型工藝研究與應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用,2003，(31).

[3] 鞠金山.輕質(zhì)復(fù)合材料軟模成型工藝技術(shù)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子,1997，4：62-66.

[4] 邵蒙,顧軼卓.硅橡膠熱膨脹模具設(shè)計與縱橫加筋壁板成型質(zhì)量分析[J].航空學(xué)報,2012，33(6)：1116-1124.

[5] 肖加余.航天主結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其軟模輔助RTM成型工藝[J].航天返回與遙感,2007.28(2)：49-52.

Research and application of thermal expansion silicone rubber to moulding technology

YI Wen-qing,NING Xiao-lei,LI Jin-liang,WANG Hai-dong

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In order to solve the difficulties in moulding and demoulding of composite small-wall deep-walled and multi-cavity structure, the thermal expansion molding process of silicone rubber was explored in this study. Through the test, the process gap formula which suitable for production and processing is given. The mechanical properties of test piece with different process gaps were compared. And a small shell product was also made to provide experimental data in the manufacture of composite products using thermal expansion molding process.

Composite materials；Silicone rubber；Thermal expansion

2017-01-05

易文清(1986-)，工程師,主要研究方向為復(fù)合材料工藝.

1001-9383(2017)01-0073-05

TB332

A