可剝布剝離工藝性評價方法研究

鄧立偉 ，陳璐圓 ，陳新文 ，顧靈聰

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095；4.上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200000）

0 引言

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由于具有高的比強(qiáng)度、抗疲勞性能好及良好的可設(shè)計性等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。復(fù)合材料零件成型時需要使用大量的工藝材料，這些材料在提供零件成型的工藝條件、保證最終零件的成型質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本等方面起著非常重要的作用[3]。因此，國外主要的民用飛機(jī)制造商都嚴(yán)格控制所使用的工藝材料。遺憾的是，國內(nèi)民機(jī)產(chǎn)業(yè)還沒有形成復(fù)合材料用工藝材料的選用標(biāo)準(zhǔn)。建立復(fù)合材料用工藝材料的評價方法，不僅能夠降低民機(jī)復(fù)合材料產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，還能拉動工藝材料向國產(chǎn)化邁進(jìn)，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接工藝中，可剝布被廣泛用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的打磨工藝進(jìn)行復(fù)合材料待膠接表面處理[4]。一方面，在運(yùn)輸和儲存過程中可剝布能保護(hù)復(fù)合材料表面，防止表面污染和損傷。保證良好的膠接質(zhì)量[5]；另一方面，在復(fù)合材料零件膠接前撕掉表面的可剝布形成粗糙的表面，有利于復(fù)合材料零件的膠接，減少打磨和清洗工作，降低勞動量，縮短生產(chǎn)周期[6]。國外主要的可剝布供應(yīng)商有Airtech、Cytec、Hekel 及Hexcel，國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品獲得民用航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在性能評價方面，國際上很多航空企業(yè)都對膠接用可剝布提出了性能要求，包括可剝布的物理、化學(xué)特性，以及制成的膠接試驗件的性能。目前，國外將斷裂強(qiáng)度作為評價可剝布剝離工藝性的重要指標(biāo)，并作為可剝布選材的依據(jù)。然而，斷裂強(qiáng)度的高低和剝離工藝性的好壞沒有必然關(guān)系，和斷裂強(qiáng)度相比，采用剝離強(qiáng)度評價剝離工藝性更直觀、更準(zhǔn)確。

本研究從可剝布剝離工藝性評價角度出發(fā)，利用浮輥法[7]評估將可剝布從層壓板表面剝離時的難易程度。分析剝離強(qiáng)度均值和剝離強(qiáng)度峰值的均值、剝離強(qiáng)度谷值的均值、平均剝離振幅之間的關(guān)系，提出可剝布剝離工藝性評價方法。

1 試驗部分

1.1 試樣

選用6種國外產(chǎn)可剝布、單向及織物碳纖維預(yù)浸料、單向及織物玻璃纖維織物預(yù)浸料，利用真空袋成型[8]工藝制備浮輥剝離試樣47 批，每批5 件試樣，試樣尺寸為230 mm×25 mm，名義厚度為2.5 mm。

1.2 試驗方案

目前，國外主要的膠粘劑剝離試驗標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。其中，ASTM D903[9]為膠粘劑180°剝離阻抗試驗方法，該方法要求撓性材料彎曲180°時無嚴(yán)重的不可恢復(fù)的變形，且測試時往往會引入撓性材料間的摩擦力。ASTM D6862[10]為膠粘劑90°剝離阻抗試驗方法，該方法的缺點是制樣成本比較高。ASTM D3167[11]為膠粘劑浮輥剝離阻抗試驗方法，該方法能較好地再現(xiàn)可剝布的剝離過程，能獲得比其他剝離方法更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，且制樣容易。因此，參照ASTM D 3167 開展剝離試驗，試驗采用MTS CMT6104 試驗機(jī)，如圖1 所示。

表1 國外剝離試驗方法Table 1 Foreign peeling testing methods

圖1 可剝布浮輥剝離試驗Fig.1 Floating-roller peeling test of strippable cloth

2 結(jié)果與分析

2.1 表面特征

可剝布剝離后，層壓板表面十分平整[12]，且留下可剝布的紋理。通過試驗，發(fā)現(xiàn)不同批次試樣表面的可剝布剝離難易程度差別很大。圖2 中第1 件試樣的可剝布正常剝離，后3 件試樣的可剝布在測試過程中因剝離載荷過大而斷裂。在實際生產(chǎn)時，過高的剝離強(qiáng)度將會顯著降低工作效率。

圖2 浮輥剝離試樣Fig.2 Specimens after floating-roller peeling

2.2 典型載荷?位移曲線

典型的可剝布浮輥剝離試驗載荷?位移曲線如圖3 所示。試驗開始階段，載荷隨著位移增加而增大，達(dá)到臨界值后，載荷隨位移的增加上下波動，并趨于穩(wěn)定。

圖3 浮輥剝離典型載荷?位移曲線Fig.3 Relationship between load and displacement

2.3 剝離強(qiáng)度的統(tǒng)計結(jié)果

不同批次試樣的剝離強(qiáng)度均值差異很大，最小強(qiáng)度為0.124 kN/m，最大強(qiáng)度為1.670 kN/m，剝離強(qiáng)度均值大小與可剝布基材、可剝布浸潤樹脂、復(fù)合材料增強(qiáng)纖維和復(fù)合材料樹脂基體有關(guān)。試樣批內(nèi)剝離強(qiáng)度的離散系數(shù)最小為0.4%，最大為15.6%，有45 批試樣剝離強(qiáng)度的離散系數(shù)小于5.0%，表明試驗批次內(nèi)該數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。

2.4 可剝布剝離工藝性評價方法

在復(fù)合材料制備過程中，為了使用可剝布替代人工打磨，首先要評價可剝布的工藝性。為更加直觀地對數(shù)據(jù)進(jìn)行討論，作如下定義：平均剝離振幅=剝離強(qiáng)度峰值的均值-剝離強(qiáng)度谷值的均值。利用一元線性回歸方程[13]擬合剝離強(qiáng)度均值和剝離強(qiáng)度峰值的均值、剝離強(qiáng)度谷值的均值、平均剝離振幅數(shù)據(jù)，得到3 條直線，如圖4所示。

圖4 剝離強(qiáng)度均值與剝離強(qiáng)度峰值的均值、剝離強(qiáng)度谷值的均值、平均剝離振幅之間線性相關(guān)Fig.4 Linear correlation between average peeling strength,mean value ofpeak peeling strength,mean value of valley peeling strength and mean value of peeling amplitude

剝離強(qiáng)度越低，則越容易將可剝布從層壓板上剝離；剝離振幅越小，則剝離過程受力越穩(wěn)定。因此，剝離強(qiáng)度越低、剝離振幅越小，工藝性越好。和國外采用斷裂強(qiáng)度相比，采用剝離強(qiáng)度評價可剝布剝離工藝性更直觀、更準(zhǔn)確。但從圖4可知，剝離強(qiáng)度均值和剝離強(qiáng)度峰值的均值、剝離強(qiáng)度谷值的均值之間的線性相關(guān)性較好，其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.991、0.994，因此，可以任選剝離強(qiáng)度均值、剝離強(qiáng)度峰值的均值和剝離強(qiáng)度谷值的均值之一作為主要指標(biāo)評價剝離工藝性。對不同可剝布進(jìn)行剝離工藝性對比時，應(yīng)采用相同的評價指標(biāo)?？紤]到剝離強(qiáng)度均值和平均剝離振幅之間的線性相關(guān)系數(shù)R2僅為0.782，故將平均剝離振幅作為評價剝離工藝性的次要指標(biāo)，在主要指標(biāo)相近及膠接性能滿足要求的情況下，優(yōu)先選擇平均剝離振幅小的可剝布。此外，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗和“等分”原則，根據(jù)剝離強(qiáng)度和剝離振幅不同，將可剝布剝離工藝性分為5個等級，級別越高，工藝性越好，如表2 所示。由于可剝布的剝離工藝性好壞直接影響制件的生產(chǎn)效率，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，建議選擇剝離工藝性等級為Ⅲ級及以上可剝布作為工藝輔料，不建議選擇Ⅰ級可剝布作為工藝輔料。

表2 可剝布剝離工藝性評價表Table 2 Evaluation table for mechanical properties of strippable cloth km·m?1

3 結(jié)論

1）剝離強(qiáng)度均值和剝離強(qiáng)度峰值的均值、剝離強(qiáng)度谷值的均值、平均剝離振幅之間呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.991、0.994、0.782。

2）可以任選剝離強(qiáng)度均值、剝離強(qiáng)度峰值的均值和剝離強(qiáng)度谷值的均值之一，作為主要指標(biāo)評價剝離工藝性，用平均剝離振幅作為次要指標(biāo)來評價可剝布剝離工藝性。

3）根據(jù)剝離強(qiáng)度和剝離振幅不同，將可剝布剝離工藝性劃分為5個等級，為可剝布選材提供依據(jù)。