冷抽壓實(shí)頻次對(duì)復(fù)合材料試板性能的影響

孟翠翠 徐小偉 余高杰 柳 青 任學(xué)明

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089）

0 引言

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱“復(fù)合材料”）具有比強(qiáng)度和比剛度高、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞性能好、減震性好、成型工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)異性能[。被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。

在復(fù)合材料零件的成型過程中，預(yù)浸料的鋪貼工藝對(duì)零件質(zhì)量有較大影響，為使預(yù)浸料與工裝貼合、排除夾在其中的氣泡、避免褶皺出現(xiàn)，在鋪貼一定層數(shù)后，需要對(duì)預(yù)成型預(yù)浸料進(jìn)行一次冷抽壓實(shí)，以驅(qū)趕其內(nèi)部孔隙保證成型質(zhì)量。在相關(guān)工藝文件中，對(duì)復(fù)合材料預(yù)浸料鋪貼過程中冷抽壓實(shí)的頻次有一定要求。波音文件要求“壓實(shí)是任選的，建議每鋪6 層后進(jìn)行壓實(shí)”；國(guó)內(nèi)文件要求“每鋪貼1～6 層進(jìn)行一次壓實(shí)，時(shí)間至少10min”；但其抽真空壓實(shí)的頻次范圍較寬泛，對(duì)于實(shí)際的生產(chǎn)指導(dǎo)性不強(qiáng)，冷抽壓實(shí)頻次越高，零件質(zhì)量固然沒有問題，但生產(chǎn)效率低；冷抽頻次越低，零件生產(chǎn)效率固然高，但零件質(zhì)量存在隱患。

該文以復(fù)合材料層壓平板為研究對(duì)象，在其他條件相同的情況下，控制單一變量，研究冷抽壓實(shí)頻次對(duì)復(fù)合材料制件制造質(zhì)量的影響，并通過層壓試板固化后的厚度、內(nèi)部孔隙缺陷、力學(xué)性能來(lái)表征其影響的大小。

1 試驗(yàn)過程及方法

1.1 試板原材料及鋪層尺寸

T800 碳纖維單向帶及環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料產(chǎn)于中航復(fù)合材料有限公司。每塊層壓試板共計(jì)鋪層25 層，單層固化厚度為0.14mm±0.01mm。每塊試板尺寸300mm×400mm，共計(jì)制造10 塊試板。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及工具

試板切割機(jī)、光學(xué)顯微鏡、研磨拋光機(jī)、游標(biāo)卡尺、萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

為研究不同冷抽壓實(shí)頻次對(duì)層壓試板厚度、內(nèi)部缺陷以及力學(xué)性能等質(zhì)量特性的影響，分兩批共計(jì)制造12 塊層壓試板，每批按照鋪貼1 層、3 層、6 層、8 層、12 層進(jìn)行一次冷抽壓實(shí)。為了保證單一因素的影響，整個(gè)實(shí)驗(yàn)采用相同預(yù)浸料，按照相同的鋪層角度順序、相同的工藝參數(shù)、相同的操作人員以及測(cè)試方法。試板鋪貼固化完成后，每塊試板分別進(jìn)行試板厚度測(cè)量、內(nèi)部孔隙缺陷及層間剪切強(qiáng)度3 組測(cè)試分析。通過以上3 組測(cè)量測(cè)試結(jié)果來(lái)表征不同的冷抽壓實(shí)頻次對(duì)復(fù)合材料制件的質(zhì)量影響程度，總結(jié)出最佳鋪層冷抽次數(shù)。

1.4 成型模具及工藝流程

試板鋪貼采用平板成型模具，模具材料為Q235 鋼。數(shù)控下料機(jī)切割出尺寸為300mm×400mm 的料片25 片，按照指定的鋪層角度順序逐層鋪貼預(yù)浸料，并在鋪貼過程中按照試驗(yàn)內(nèi)容規(guī)劃的冷抽壓實(shí)頻率進(jìn)行預(yù)成型體抽真空壓實(shí)，每次壓實(shí)真空度不少于0.08MPa，時(shí)間至少10min。鋪貼完成后封袋進(jìn)入熱壓罐內(nèi)固化。按照以上工藝流程，整體試驗(yàn)分2 次成型固化，制造出相同尺寸、相同鋪層的層壓件試樣10塊。分別對(duì)對(duì)不同試樣標(biāo)記并進(jìn)行厚度測(cè)量、磨制金相試樣觀察內(nèi)部孔隙缺陷、切割層間剪切試樣進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試。通過以上物理量來(lái)表征不同冷抽壓實(shí)頻次對(duì)復(fù)合材料層壓制件成型質(zhì)量的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 試板厚度測(cè)量

固化后的層壓試板，去除邊緣余量后，首先對(duì)其厚度區(qū)域通過畫網(wǎng)格的方式標(biāo)記出測(cè)量的點(diǎn)位，然后使用游標(biāo)卡尺對(duì)試板進(jìn)行多點(diǎn)厚度測(cè)量，并記錄數(shù)值，最后通過計(jì)算厚度平均值得到試板的宏觀測(cè)量厚度值。

從完成宏觀測(cè)量的試板上的相同區(qū)域上切割取下10mm×10mm 的小試塊，通過研磨拋光機(jī)磨制成金相試樣，然后使用光學(xué)顯微鏡觀察其內(nèi)部是否存在孔隙缺陷及缺陷的覆蓋面積。圖1 即是通過光學(xué)顯微鏡拍出的試塊內(nèi)部質(zhì)量照片，通過測(cè)量工具在金相照片上測(cè)出單層固化厚度，多次測(cè)量計(jì)算出平均單層固化厚度，然后與鋪貼層數(shù)相乘后得出每塊試板的厚度，進(jìn)而得到顯微鏡從微觀角度測(cè)量出試板的厚度。通過對(duì)比宏觀和微觀兩種測(cè)量方法測(cè)量出來(lái)的的厚度值，通過表1 可以看出厚度值基本一致，但隨著冷抽頻次的變化，厚度值并沒有呈現(xiàn)出規(guī)律的變化。可見對(duì)于鋪貼層數(shù)為25 層的試板，冷抽頻次對(duì)試樣最終固化厚度的影響較小，二者之間沒有明顯對(duì)于關(guān)系。通過對(duì)比其單層固化厚度理論值可知，每組試板的平均單層固化厚度均在理論值范圍內(nèi)，可見對(duì)于較薄的層壓試板，抽真空壓實(shí)頻率對(duì)其厚度影響不大。

2.2 試板孔隙缺陷觀察

磨制完成的金相式樣，在顯微鏡下可看到其內(nèi)部的孔隙缺陷，通過計(jì)算在一定面積內(nèi)孔隙缺陷的比例，能夠評(píng)價(jià)此試樣的內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)劣，圖1 是在不同冷抽頻次下試板試樣的金相顯微鏡照片。圖1（a）～圖1（e）分別為每鋪貼1 層、3 層、6 層、8 層、12 層進(jìn)行一次抽壓實(shí)的試樣金相照片。觀察第一批試板表面孔隙缺陷可知，每1 層抽真空一次時(shí)，試樣表面完整，沒有肉眼可見的孔隙缺陷，每3 層抽真空一次和每6 層抽真空一次的試樣表面顯微形貌與每1 層抽真空一次相比無(wú)較大差異。但當(dāng)冷抽壓實(shí)次數(shù)減少到每8 層金相一次冷抽壓實(shí)時(shí)，樹脂層中開始出現(xiàn)小的孔隙，當(dāng)冷抽壓實(shí)次數(shù)減少到每12 層一次時(shí)，樹脂層中開始出現(xiàn)較大面積較大直徑的明顯孔隙。同樣觀察第二批試板表面孔隙缺陷可知，每鋪貼1 層、3 層、6 層冷抽壓實(shí)一次時(shí)，纖維和樹脂間基本無(wú)明顯孔隙缺陷，但冷抽頻次減少至8 層時(shí)，樹脂間出現(xiàn)較小面積和小尺寸的孔隙、而當(dāng)每12 層一次冷抽壓實(shí)時(shí)，明顯出現(xiàn)較大面積和較大尺寸的孔隙缺陷。雖然與第一批試板相比，第二批試板整體孔隙缺陷較少，但整體均隨著冷抽壓實(shí)頻次的降低，孔隙缺陷增多的結(jié)果是一致的。

2.3 層間剪切試驗(yàn)

圖1 不同冷抽頻次的金相顯微鏡照片

表1 不同冷抽頻次試板厚度

表2 不同冷抽頻次試板層間剪切試驗(yàn)結(jié)果（將試驗(yàn)結(jié)果中誤差較大的數(shù)據(jù)去除）

通過上述驗(yàn)證得知，不同的冷抽壓實(shí)頻次影響著復(fù)合材料層壓件的內(nèi)部質(zhì)量，而這些內(nèi)部的小空虛是否對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生影響。為了對(duì)比不同冷抽壓實(shí)頻次試樣的力學(xué)性能，按照實(shí)驗(yàn)要求將層壓試板切割成標(biāo)準(zhǔn)的小試塊，使用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行層間剪切試驗(yàn)，如圖2 所示。試驗(yàn)過程中記錄兩批次試塊的最大彎曲力和短梁強(qiáng)度數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表2（剔除測(cè)試過程中的異常值），通過對(duì)比力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以看出，每鋪貼1 層、3 層、6 層進(jìn)行一次抽真空壓實(shí)時(shí)，所對(duì)應(yīng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)相對(duì)較高，當(dāng)冷抽頻次減至8 層一次時(shí)其應(yīng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)開始降低，到12 層時(shí)力學(xué)性能進(jìn)一步下降，分析其力學(xué)性能的下降主要原因是內(nèi)部孔隙缺陷的增加導(dǎo)致其層間裂紋擴(kuò)展的加速，所以使用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行層間剪切試驗(yàn)時(shí)，試樣就更加容易被破壞，從這一點(diǎn)上可以得出隨著冷抽壓實(shí)頻次的降低力學(xué)性能的減弱結(jié)論與金相顯微照片看到的孔隙缺陷結(jié)果基本一致。

圖2 層間剪切試驗(yàn)前后試樣照片

3 結(jié)論

通過制作不同冷抽壓實(shí)頻次的平板層壓試樣，并通過2批次試樣對(duì)比測(cè)量試板厚度、孔隙缺陷、層間剪切強(qiáng)度，驗(yàn)證冷抽壓實(shí)頻次對(duì)試板質(zhì)量及性能的影響，得出如下結(jié)論：（1）對(duì)于復(fù)合材料層壓試板，每鋪貼1 層、3 層或6 層進(jìn)行一次冷抽壓實(shí)時(shí)，金相試樣表面完整，幾乎沒有肉眼可見孔隙缺陷，而當(dāng)冷抽壓實(shí)頻次減少到每8 層一次時(shí)，樹脂層中開始出現(xiàn)小的孔隙，當(dāng)冷抽壓實(shí)頻次進(jìn)一步減少到每12 層一次時(shí)，樹脂層中開始出現(xiàn)較大直徑的明顯孔洞。（2）對(duì)于厚度較小的復(fù)合材料制件（厚度小于3.5mm），鋪貼過程中冷抽壓實(shí)頻次對(duì)固化后試樣單層厚度的影響較小，且二者間無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（3）層壓件在鋪貼過程中，隨著冷抽壓實(shí)頻次的減少，試樣的力學(xué)性能（剪切強(qiáng)度）總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。（4）對(duì)于復(fù)合材料層壓件，從鋪貼效率、制造成本及力學(xué)性能上整體考慮，每鋪貼3～6 層進(jìn)行一層冷抽壓實(shí)的效果最佳。