縱橫加筋碳纖維復(fù)合材料壁板整體成型技術(shù)研究

李 義，葉宏軍，翟全勝

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300；中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

1 概述

復(fù)合材料具有比強度高、比剛度大、可設(shè)計性強、抗疲勞損傷性能優(yōu)異和耐腐蝕性好等優(yōu)點，它是航空航天領(lǐng)域重要的輕量化結(jié)構(gòu)材料，已廣泛應(yīng)用于飛機的機翼壁板、平尾、垂尾、機身、艙門等零部件結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料用量已經(jīng)成為衡量航空飛行器先進性的重要指標(biāo)之一[1-2]，在最新型的大型客機A350機型中，復(fù)合材料用量達到了52%[3-6].空客A350飛機復(fù)合材料應(yīng)用情況如圖1所示。

圖1 空客A350飛機復(fù)合材料應(yīng)用情況

加筋壁板結(jié)構(gòu)是典型的航空復(fù)合材料面板結(jié)構(gòu)的基本形式之一，已被應(yīng)用于翼面和機身等部位。筋條對蒙皮的剛性在很大程度上有所增強，尤其用于飛機機身時，由于機身結(jié)構(gòu)曲率比較大，復(fù)合材料制件一般是曲面縱橫加筋結(jié)構(gòu)壁板。這種結(jié)構(gòu)目前主要采用膠接共固化的成型工藝，先固化蒙皮，然后將未固化的筋條與蒙皮膠接共固化成型。在此過程中，蒙皮成型技術(shù)、筋條定位技術(shù)、膠接共固化技術(shù)對最終產(chǎn)品的質(zhì)量影響尤為關(guān)鍵。本文以典型縱橫加筋壁板為例，如圖2所示，介紹了國產(chǎn)T700級碳纖維復(fù)合材料制件成型技術(shù)研究。

圖2 典型縱橫加筋壁板盒段

2 蒙皮成型技術(shù)

對于復(fù)合材料加筋壁板，蒙皮是主要承力部位，蒙皮的質(zhì)量影響著最終整個復(fù)合材料產(chǎn)品的性能，且蒙皮質(zhì)量控制對后續(xù)筋條膠接共固化影響尤為關(guān)鍵。對于曲面蒙皮，難點在于如何控制蒙皮的變形和蒙皮的最終厚度。

2.1 蒙皮變形控制

對于復(fù)合材料制件，影響蒙皮變形的因素主要有2點：①蒙皮成型模具材料的選擇；②蒙皮鋪層角度的控制。

復(fù)合材料蒙皮在固化過程中會經(jīng)歷一個復(fù)雜的溫度場過程：從室溫以一定升溫速率升至高溫，在高溫下發(fā)生固化反應(yīng)至固化完全，然后又以一定的降溫速率降至室溫。在降溫過程中，由于成型模具與復(fù)合材料產(chǎn)品熱膨脹系數(shù)不一樣，在收縮過程中會在模具與復(fù)合材料產(chǎn)品間產(chǎn)生一個非常大的剪應(yīng)力，最終造成產(chǎn)品變形，尤其對于曲面蒙皮結(jié)構(gòu)，這種剪應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩會使產(chǎn)品發(fā)生很大的變形。由于復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)接近于0，一般的金屬模具材料因為熱膨脹系數(shù)比較大，與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)無法匹配，不能滿足要求。對于曲面加筋壁板，必須采用Invar合金（熱膨脹系數(shù)接近于零）作為模具材料。

由于復(fù)合材料是各向異性的材料，每一層的鋪層角度不一樣，其熱膨脹系數(shù)也會不一樣，因此，在固化收縮過程中，層與層之間會產(chǎn)生一個剪應(yīng)力，由此會對產(chǎn)品產(chǎn)生一個彎矩。為了控制產(chǎn)品的變形，蒙皮一般采用對稱鋪層，這樣上下鋪層的彎矩會相互抵消，因此，每一鋪層角度對雙曲加筋壁板變形控制的影響比較大。為了控制每一鋪層的角度，目前主要采用Fibersim軟件分析產(chǎn)品蒙皮鋪層，生成精確的鋪層下料文件和激光投影文件，在鋪疊過程中，嚴格按照激光投影定位的鋪層角度和鋪層區(qū)域鋪疊，最終制造出的蒙皮變形要在設(shè)計允許范圍內(nèi)。

2.2 蒙皮厚度控制

蒙皮的厚度對后續(xù)膠接共固化質(zhì)量的影響比較大，且會影響后期產(chǎn)品與金屬骨架的裝配。目前，在蒙皮成型過程中，一般采用預(yù)浸料零吸膠工藝，而預(yù)浸料性能會影響最終蒙皮的厚度。為了保證預(yù)浸料性能的均勻性，達到各項指標(biāo)的要求，需嚴格控制國產(chǎn)T700碳纖維面密度和樹脂含量。在預(yù)浸料制備過程中，先將國產(chǎn)T700碳纖維進行一定程度的展纖處理，且每一束碳纖維經(jīng)展纖后厚度均勻，其次在排紗過程中確保束與束間緊密排列；在樹脂膠膜制備過程中，根據(jù)樹脂體系的流變特性選擇合理的工藝窗口，對樹脂預(yù)熱時間、涂覆速度優(yōu)化處理，并對膠膜厚度進行在線監(jiān)測，制備出厚度精確、均一的樹脂膠膜。經(jīng)覆合后制造出的預(yù)浸料國產(chǎn)T700碳纖維面密度偏差在±2%，樹脂含量在±3%內(nèi)，最終制造出的雙曲面蒙皮厚度公差在±4%內(nèi)，滿足設(shè)計技術(shù)要求。

3 筋條定位技術(shù)

縱橫加筋壁板的筋條如何定位是一項非常難的技術(shù)，在設(shè)計定位機構(gòu)時，既要保證筋條定位的精確度，又要保證后期真空袋封裝的效率，定位機構(gòu)設(shè)計太復(fù)雜，不利于產(chǎn)品膠接共固化時真空袋的封裝。根據(jù)縱橫加筋壁板的結(jié)構(gòu)特點，采用卡槽定位。對于縱向筋條，設(shè)計橫跨蒙皮的定位器，定位器為可卸式，由其上的定位孔與模胎上的定位孔通過定位銷定位，定位器上有卡槽裝置，縱向筋條通過定位器上的卡槽進行定位，具體如圖3所示。

圖3 縱向筋條定位方式

橫向筋條以縱向筋條為基準(zhǔn)定位，也是采用卡槽的方式，橫向筋條成型模的延伸部分插入對應(yīng)垂直方向上縱向筋條成型模在相應(yīng)位置上設(shè)置的凹槽內(nèi)，具體如圖4、圖5所示。

4 膠接共固化技術(shù)

膠接共固化技術(shù)是所有加筋壁板中比較難控制的一項技術(shù)，尤其是對于縱橫加筋壁板。在蒙皮與筋條膠接共固化時，縱橫加筋壁板需解決3個問題，即筋條三角區(qū)填充量大小、蒙皮與筋條模具間隙校驗、膠接如何組裝。

對于縱橫加筋壁板，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)筋條三角區(qū)填充量不夠時，某些筋條填充區(qū)會出現(xiàn)膠膜空隙，這是因為填充區(qū)對膠膜的壓力不夠；當(dāng)填充量合適時，筋條R區(qū)內(nèi)部質(zhì)量合格，且筋條立邊厚度在理論范圍值內(nèi)；當(dāng)填充量稍多時，筋條R區(qū)內(nèi)部質(zhì)量合格，但筋條立邊厚度超厚，這是因為填充料過量，被擠壓至立邊中，導(dǎo)致立邊厚度超差；當(dāng)填充量過量時，發(fā)現(xiàn)某些筋條出現(xiàn)立邊分層，某些筋條下緣條出現(xiàn)孔隙，這主要是因為當(dāng)填充料過量時，筋條R角尺寸會大于理論值，造成與筋條模具R角不匹配，在成型過程中導(dǎo)致筋條成型模發(fā)生逆時針或順時針偏轉(zhuǎn)，當(dāng)成型模逆時針偏轉(zhuǎn)時，下緣條壓力不夠出現(xiàn)空隙，當(dāng)成型模順時針偏轉(zhuǎn)時，筋條立邊壓力不夠出現(xiàn)分層。

圖4 橫向筋條定位方式

圖5 縱橫加筋壁板定位效果圖

在膠接共固化時，由于蒙皮已固化完全，且筋條模具是剛性的，兩者配合時容易產(chǎn)生間隙，所以，必須對蒙皮與筋條模具進行間隙校驗，可采用塞規(guī)或校驗?zāi)ばｒ?。?dāng)蒙皮與成型模間隙小于0.15 mm時，對膠接影響不大；當(dāng)間隙大于0.15～0.25 mm時，可在間隙較大處多加一層膠膜進行處理；當(dāng)間隙大于0.25 mm時，需對間隙較大處進行加塞預(yù)浸料處理，消除間隙。對于縱橫加筋壁板，由于筋條數(shù)量比較多，膠接組裝非常困難。當(dāng)膠接封擋不嚴實時，會導(dǎo)致固化時流膠過多引起筋條與蒙皮脫粘。針對本文論述的典型縱橫加筋壁板盒段進行了一系列試驗，發(fā)現(xiàn)采用國產(chǎn)未硫化的硅橡膠作為封擋材料時效果比較好。在膠接固化過程中，硅橡膠在樹脂能流動前會發(fā)生硫化反應(yīng)，經(jīng)硫化的硅橡膠有一定的剛度，能有效阻止樹脂的流動，達到封擋的效果。

5 結(jié)論

經(jīng)過分析，得出以下結(jié)論：①蒙皮成型技術(shù)、筋條定位技術(shù)、膠接共固化技術(shù)是國產(chǎn)T700級碳纖維復(fù)合材料縱橫加筋壁板整體成型技術(shù)的關(guān)鍵；②用Invar合金作為模具材料，控制蒙皮鋪層角度能有效解決雙曲面蒙皮變形的問題，控制預(yù)浸料纖維面密度和樹脂含量能蒙皮厚度；③采用卡槽定位技術(shù)能夠滿足國產(chǎn)T700級碳纖維復(fù)合材料縱橫加筋壁板筋條定位精度的要求，并能提高真空袋的封裝效率；④合適的填充量、筋條與蒙皮間隙檢查、封擋材料的選擇能有效解決筋條膠共固化時易出現(xiàn)的內(nèi)部質(zhì)量問題。

［1］趙渠森.先進復(fù)合材料手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究院.復(fù)合材料設(shè)計手冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1990.

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