復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)J形梁共固化成型技術(shù)研究

袁 超

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復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)J形梁共固化成型技術(shù)研究

袁 超

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

分析了復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)J形梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)，通過組合工裝的設(shè)計(jì)，工藝參數(shù)的優(yōu)化和鋪疊過程多次抽真空預(yù)處理操作，提高零件成型質(zhì)量。結(jié)果表明，根據(jù)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)J形梁設(shè)計(jì)的包括主體模具、底板蓋板和外腹板軟模的組合工裝，有利于保證零件尺寸及最終成型質(zhì)量；共固化工藝參數(shù)選擇抽真空，加壓0.2 MPa能夠在保證蜂窩不產(chǎn)生滑移的同時(shí)，提供足夠的壓力幫助預(yù)浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)份在樹脂凝膠前排出，制得的零件具有良好的內(nèi)部質(zhì)量；在鋪疊過程中進(jìn)行多次抽真空預(yù)處理操作，有利于排出鋪疊過程中預(yù)浸料夾裹的氣體，從而減少零件空隙缺陷。

復(fù)合材料；J形梁；蜂窩夾層；共固化

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空航天領(lǐng)域重要的輕量化結(jié)構(gòu)材料，并廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的各個(gè)部件，復(fù)合材料用量已成為衡量航空飛行器先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一[1]。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是目前所知的最節(jié)省材料、具有最大的強(qiáng)度重量比的一種結(jié)構(gòu)性材料。與實(shí)心材料相比，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料使用的有效材料僅為被替代材料的1%～5%，它顯然是一種用料省、耗能小的極具潛力的輕質(zhì)材料。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成[2]。

一般面板采用強(qiáng)度和剛度比較高的材料，芯子采用密度比較小的材料。夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、彎曲剛度及強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞、吸音、隔熱等優(yōu)點(diǎn)，因此，在飛行器結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用。在飛行器設(shè)計(jì)過程中，往往通過在壁板內(nèi)部增加J形梁，來提高整體大型壁板的剛性和強(qiáng)度，更有效地提高結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。

共固化是指將2個(gè)或2個(gè)以上零件通過一次固化成型，形成整體制件的工藝方法。共固化成型工藝制造成本低，適合制造型面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)[3]。本文研究的復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)J形梁采用共固化成型，外蒙皮、內(nèi)蒙皮、蜂窩芯材同時(shí)一次成型，工藝步驟簡(jiǎn)單、工序少。但由于J形梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且蜂窩與蒙皮同時(shí)成型不能施加高的成型壓力，所以，最終制件容易產(chǎn)生脫粘或孔隙缺陷。

為了提高最終制件的成型質(zhì)量，本文分析了J形梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝難點(diǎn)，并對(duì)工裝設(shè)計(jì)、鋪疊預(yù)處理、共固化工藝參數(shù)選擇3個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，通過優(yōu)化，最終制成了外表美觀、質(zhì)量好、無內(nèi)部缺陷的復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)J形梁制件。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝難點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

J形梁為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，由外腹板、內(nèi)腹板、底板及蜂窩芯組成，總長(zhǎng)4.7 m，寬0.3 m，外腹板、內(nèi)腹板及底板材料為T300/BA9913碳纖維單向帶環(huán)氧預(yù)浸料，蜂窩芯材為NRH2-48芳綸紙蜂窩，截面為梯形，高3 mm，底角為14°，位于內(nèi)腹板與外腹板之間，J形梁截面如圖1所示。

1.2 工藝難點(diǎn)

在復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)J形梁共固化過程中，既要保證蜂窩區(qū)板芯膠接質(zhì)量，又要保證無蜂窩緣條區(qū)零件質(zhì)量，需要在保證零件尺寸的同時(shí)，對(duì)J形梁外腹板、內(nèi)腹板及底板區(qū)域進(jìn)行加壓。

為保證零件較高的成型質(zhì)量，需要加大成型壓力，但加壓過大容易造成蜂窩芯的滑移和塌陷，如何選擇適當(dāng)?shù)某尚蛪毫?，既保證零件成型質(zhì)量，又不造成蜂窩的滑移和塌陷是一個(gè)工藝難點(diǎn)。

相比于膠接成型蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，共固化成型夾芯結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)浸料的含膠量、樹脂流動(dòng)性[4-5]等要求更為嚴(yán)格，相比共膠接和二次膠接成型，共固化成型過程中內(nèi)腹板及外腹板的成型質(zhì)量較差，容易產(chǎn)生孔隙缺陷。

1.2.1 組合工裝設(shè)計(jì)

為了在保證零件尺寸的同時(shí)，對(duì)J形梁外腹板、內(nèi)腹板及底板區(qū)域進(jìn)行加壓，自行設(shè)計(jì)組合工裝，工裝截面如圖2所示。組合工裝包括主體模具、底板蓋板和外腹板軟模。主體模具工作型面與J形梁內(nèi)腹板型面一致，采用鋼材料由數(shù)控加工而成，主要作用為在成型過程中支撐零件，保證J形梁內(nèi)腹板型面及剛度。底板蓋板由16層T300/BA9913碳纖維單向帶環(huán)氧預(yù)浸料鋪疊固化而成，與底板外型面一致。由于底板蓋板與底板材料一致，所以，熱膨脹系數(shù)相同，能夠在成型過程中保證加壓均勻及最終成型后底板的型面尺寸。外腹板軟模為兩層EW200干玻璃布，玻璃布具有軟性，能在加壓過程中緊貼外腹板面，保證外腹板面均勻加壓，從而保證外腹板面的成型質(zhì)量。

圖1 J形梁截面示意圖

圖2 組合工裝示意圖

在模具使用過程中，先在主體模具上鋪疊內(nèi)腹板鋪層，然后將膠膜和蜂窩芯依次置于鋪疊完成的內(nèi)腹板鋪層上，再在底板蓋板上鋪疊底板鋪層，將帶有底板鋪層的底板蓋板組裝到主體模具上。然后，在蜂窩芯上依次鋪放膠膜和外腹板鋪層，最后再將封裝輔助材料和外腹板軟模蓋在主體模具上進(jìn)行封裝，最終進(jìn)入熱壓罐共固化成型。

1.2.2 工藝參數(shù)選擇

共固化成型工藝參數(shù)對(duì)制件成型質(zhì)量有決定性影響[6-8]。工藝參數(shù)需要選擇適當(dāng)?shù)某尚蛪毫?，既保證零件成型質(zhì)量，又不造成蜂窩的滑移和塌陷。

選用T300/BA9913碳纖維單向帶環(huán)氧預(yù)浸料及底角為14°的NRH2-48芳綸紙蜂窩進(jìn)行工藝試驗(yàn)，采用不同工藝參數(shù)進(jìn)行共固化成型，結(jié)果如表1所示。

表1 工藝參數(shù)對(duì)共固化成型零件的影響

由表1可以發(fā)現(xiàn)，加壓0.3 MPa時(shí)，由于壓力過大，共固化過程中產(chǎn)生的側(cè)向分力導(dǎo)致蜂窩發(fā)生滑移。加壓0.1 MPa，雖然蜂窩不產(chǎn)生滑移，但是由于共固化壓力過小，預(yù)浸料在熱成型過程中加壓不足，預(yù)浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)份等無法排出，進(jìn)而導(dǎo)致無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)孔隙缺陷。而加壓0.2 MPa并抽真空時(shí)，共固化過程中產(chǎn)生的側(cè)向分力不足以導(dǎo)致蜂窩滑移，同時(shí)，又能在預(yù)浸料熱成型過程中提供足夠的壓力，幫助預(yù)浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)份在樹脂凝膠前排出，所以，無損檢測(cè)無缺陷。而加壓0.2 MPa不抽真空，預(yù)浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)份不易通過抽真空過程排出，所以，存在少量孔隙缺陷。

1.2.3 鋪疊預(yù)處理

采用共固化成型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蒙皮的內(nèi)部質(zhì)量相對(duì)難以控制。在共固化成型過程中，如果壓力過高，則會(huì)導(dǎo)致蜂窩的滑移和塌陷。同時(shí)，蜂窩芯的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致加壓過程中蒙皮壓力不均勻及加壓困難。上述原因?qū)е落伅B過程中預(yù)浸料夾裹的氣體不易在樹脂凝膠前排出，進(jìn)而堆積在預(yù)浸料層間，出現(xiàn)孔洞、孔隙密集或分層等缺陷。為了減少因預(yù)浸料鋪疊過程中包裹的氣體不易排出而造成的缺陷，選擇在預(yù)浸料鋪疊過程中，應(yīng)對(duì)預(yù)浸料鋪層進(jìn)行多次抽真空操作，每次抽真空時(shí)間25 min。不同抽真空預(yù)處理方式制得的零件外腹板孔隙率測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 鋪疊預(yù)處理對(duì)制件外腹板孔隙率的影響

由表2可知，每一層抽真空的預(yù)處理操作制得的J形梁零件外腹板孔隙率最低，不抽真空制得的J形梁零件外腹板孔隙率最高。多次抽真空的預(yù)處理操作有利于排出減少鋪疊過程中預(yù)浸料夾裹的氣體，進(jìn)而降低零件空隙缺陷。

2 結(jié)論

根據(jù)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)J形梁設(shè)計(jì)的包括主體模具、底板蓋板和外腹板軟模的組合工裝，有利于保證零件尺寸及最終成型質(zhì)量；共固化工藝參數(shù)選擇抽真空，加壓0.2 MPa能夠在保證蜂窩不產(chǎn)生滑移的同時(shí)，提供足夠的壓力，幫助預(yù)浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)份在樹脂凝膠前排出，制得的零件具有良好的內(nèi)部質(zhì)量；在鋪疊過程中進(jìn)行多次抽真空預(yù)處理操作有利于排出減少鋪疊過程中預(yù)浸料夾裹的氣體，從而降低零件空隙缺陷。

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S251

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.102

2095－6835（2018）22－0102－02

袁超（1987—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闃渲鶑?fù)合材料成型。

〔編輯：張思楠〕