尾翼盒段主承力結(jié)構(gòu)用高溫固化碳纖維復(fù)合材料性能應(yīng)用研究

朱 苗 劉 剛 黨 婧

（1 中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，西安 710089）

（2 中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089）

0 引言

新一代的民用飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)（中央翼盒、機(jī)身和尾翼等）采用了增韌型樹脂基碳纖維復(fù)合材料。目前國(guó)外民機(jī)復(fù)合材料按照應(yīng)用部位分為:一是高韌性環(huán)氧中模碳纖維復(fù)合材料，主要用于中央翼盒、機(jī)身等；二是增韌型或韌性一般的標(biāo)模環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料，主要用于在襟副翼、方向舵、升降舵等[1]。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)大部分飛機(jī)上復(fù)合材料雖達(dá)到了國(guó)外同類材料的技術(shù)水平，但其原材料成本明顯偏高（國(guó)外碳纖維價(jià)格約為國(guó)內(nèi)的7.5%～15%，國(guó)外預(yù)浸料價(jià)格約為國(guó)內(nèi)的（1/3～1/4），且處于工程化應(yīng)用研究的前期階段，主要用于軍機(jī)。因此，不管是從性能、成本以及適航驗(yàn)證等角度，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料還遠(yuǎn)不能滿足民機(jī)設(shè)計(jì)要求。綜上所述，結(jié)合某型民用飛機(jī)對(duì)于沖擊后壓縮破壞應(yīng)變3 500 με 的目標(biāo)設(shè)計(jì)要求，某型民用飛機(jī)尾翼盒段擬選用了一定比例的高溫固化增韌型標(biāo)模碳纖維復(fù)合材料，其雖然在國(guó)外民機(jī)上有一定的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)資料和信息較少。因此，本文主要針對(duì)高溫固化增韌型標(biāo)模碳纖維復(fù)合材料開展了材料性能研究，以獲取并積累必要的材料性能數(shù)據(jù)，確定其是否能滿足尾翼盒段的設(shè)計(jì)及使用要求，為復(fù)合材料制件的工藝和制造提供支持，也為該類材料后續(xù)擴(kuò)大化應(yīng)用的可能性提供一定的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次性能研究采用了兩組各3 個(gè)不同批次的高溫固化環(huán)氧增韌標(biāo)模碳纖維預(yù)浸料，其中，至少包含了兩個(gè)不同的纖維批次和兩個(gè)不同的樹脂批次（表1）。

表1 高溫固化環(huán)氧增韌標(biāo)模碳纖維單向帶預(yù)浸料Tab.1 High temperature cured epoxy resin impregnated carbon fiber tape prepreg

1.2 固化工藝

本次復(fù)合材料層壓板均采用熱壓罐工藝固化，主要固化參數(shù)為:（1）抽真空0.08 MPa 以上；（2）罐壓滿壓:（CYCOM977-2 樹脂體系）或（0.7±0.035）MPa（M21 樹脂體系）；（3）升溫至（180±5）℃保溫至少120 min；（4）降溫至60℃以下卸壓出罐。

1.3 性能測(cè)試

本文樹脂含量采用ASTM D 3529 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，碳纖維面密度采用ASTM D 3529 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，揮發(fā)分含量采用ASTM D 3530 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，樹脂流動(dòng)度采用ASTM D 3531 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，凝膠時(shí)間采用ASTM D 3532 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，孔隙率采用ASTM D 2734 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試、纖維體積分?jǐn)?shù)采用ASTM D 3171標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，干態(tài)/濕態(tài)（Tg）采用ASTM D 7028 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，0°/90°拉伸強(qiáng)度采用ASTM D 3039 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，0°/90°壓縮強(qiáng)度采用ASTM D 6641 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，縱橫剪切強(qiáng)度采用ASTM D 3518 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，0°層間剪切強(qiáng)度采用ASTM D 2344 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，而且層壓板力學(xué)性能分別在三種不同環(huán)境下（-55℃/干態(tài)、24℃/干態(tài)、132℃/濕態(tài)）進(jìn)行測(cè)試，其中，濕態(tài)處理?xiàng)l件為（71±5）℃水中浸泡14 d。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)浸料物理性能

從兩組預(yù)浸料（表1）物理性能的結(jié)果來(lái)看，其中，兩組預(yù)浸料的樹脂含量比較接近，平均值基本在34%～35%之間，碳纖維面密度也比較接近，平均值約為136 g/m2，分散性均很小，這可保證其復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)和力學(xué)性能的穩(wěn)定性；M21 樹脂和CYCOM977-2 樹脂的揮發(fā)分含量均很小，平均值約＜0.8%，進(jìn)而減少了復(fù)合材料的內(nèi)部空隙，提高其復(fù)合材料的力學(xué)性能和濕熱性能；CYCOM977-2 樹脂流動(dòng)度平均值為18%，而M21 樹脂流動(dòng)度為13%，兩組樹脂流動(dòng)度適當(dāng)，流動(dòng)度與樹脂的黏度和預(yù)浸料中樹脂含量有關(guān)，流動(dòng)度適當(dāng)表明了樹脂含量和樹脂黏度適中，保證了在固化過(guò)程中樹脂在纖維中及層與層間的均勻滲透，進(jìn)而保證了其復(fù)材的性能；兩組預(yù)浸料的凝膠時(shí)間平均值約在7～10 min 以內(nèi)，凝膠時(shí)間長(zhǎng)短適中，以利于復(fù)材形成和提高生產(chǎn)效率。揮發(fā)分、流動(dòng)度和凝膠時(shí)間三個(gè)參數(shù)均反映出預(yù)浸料工藝性良好，以支持零件的工藝和制造。

2.2 層合板物理性能

文獻(xiàn)[2-3]表明引起材料力學(xué)性能下降的臨界孔隙率是1%～4%，在常溫下，當(dāng)孔隙率小于0.9%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能受孔隙率的影響非常小，幾乎可以忽略。因此，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，CYCOM977-2體系復(fù)合材料的孔隙率非常低，平均值為0.07%，對(duì)力學(xué)性能的影響可以忽略，M21 體系復(fù)合材料的孔隙率平均值為1.35%。

纖維體積分?jǐn)?shù)也在很大程度上決定了復(fù)合材料的力學(xué)性能，纖維體積分?jǐn)?shù)過(guò)低會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能的降低，過(guò)高則有會(huì)造成纖維不能被樹脂基體充分浸潤(rùn)，同樣也會(huì)造成復(fù)合材料力學(xué)性能降低，該兩組材料的纖維體積含量平均值基本在58%～59%左右，基本符合熱壓罐工藝制備的復(fù)合材料的一般結(jié)果和規(guī)律。

對(duì)于干態(tài)Tg，M21 體系復(fù)合材料平均值約為193℃，CYCOM977-2 體系復(fù)合材料平均值約為170℃；而對(duì)于濕態(tài)Tg，M21 體系復(fù)合材料平均值約為166℃，CYCOM977-2 體系復(fù)合材料平均值約為141℃。前后對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn):濕熱處理對(duì)該兩組復(fù)合材料的Tg影響十分明顯，濕熱處理后，材料的Tg下降了25～33℃，這是因?yàn)闈駸釛l件下，水分容易進(jìn)入樹脂的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及樹脂與纖維的界面，形成了增塑作用。再對(duì)比兩組材料的干態(tài)和濕態(tài)Tg，M21 樹脂體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度普遍比CYCOM977-2 高，耐溫性更好。

2.3 層合板基本力學(xué)及濕熱性能

利用混合法則，纖維轉(zhuǎn)化率可根據(jù)復(fù)合材料的理論拉伸強(qiáng)度值與實(shí)際復(fù)合材料的0°拉伸強(qiáng)度的比值獲得，而復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)弱可用纖維轉(zhuǎn)化率進(jìn)行評(píng)價(jià)。纖維轉(zhuǎn)化率η 按公式（1）[4]:

式中，σc為實(shí)際復(fù)合材料的0°拉伸強(qiáng)度；σf為碳纖維拉伸強(qiáng)度；Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)。

在室溫干態(tài)下，將表1碳纖維拉伸強(qiáng)度和兩種復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)，以及表2中復(fù)合材料實(shí)際0°拉伸強(qiáng)度代入公式（1）可以計(jì)算出:CYCOM977-2 體系復(fù)合材料纖維轉(zhuǎn)化率為76.72%，M21 體系復(fù)合材料纖維轉(zhuǎn)化率為77.2%，該兩組材料轉(zhuǎn)化率比較高，且基本一致。因此，該兩組材料的界面粘結(jié)均比較好，沒(méi)有達(dá)到理論的100%，可能與層壓板成型工藝，樹脂基體，纖維斷裂伸長(zhǎng)率等有關(guān)。

通常對(duì)于單向?qū)雍习?，?duì)基體和界面性能起主導(dǎo)作用的力學(xué)性能有0°壓縮強(qiáng)度、90°拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度，界面性能的良好與否對(duì)復(fù)合材料的耐濕熱性能會(huì)產(chǎn)生很大影響[4]。而且，溫度和濕度是影響復(fù)合材料力學(xué)性能的兩個(gè)重要環(huán)境因素，溫度的升高既會(huì)加劇復(fù)合材料的吸濕，又會(huì)造成復(fù)合材料的熱降解或老化，并且吸水后會(huì)使樹脂基體塑性變化，進(jìn)而更加弱化基體和纖維之間的界面[4]。

從表2中三種環(huán)境下的力學(xué)性能比較可以發(fā)現(xiàn):與24℃/干態(tài)相比:在-55℃/干態(tài)時(shí)，該兩組復(fù)合材料的0°壓縮強(qiáng)度、90°拉伸強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度的保持率均比較高，這說(shuō)明了低溫對(duì)該兩組復(fù)合材料性能影響很小，在低溫下該兩組復(fù)合材料有優(yōu)良的界面性能；在132℃/濕態(tài)時(shí)，CYCOM977-2 體系復(fù)合材料0°壓縮強(qiáng)度、90°拉伸強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度的保持率分別為60.61%、36.46%、50.34%，M21 體系復(fù)合材料0°壓縮強(qiáng)度、90°拉伸強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度的保持率分別為80.56%、74.76%、54.58%，M21 體系復(fù)合材料的保持率仍比較高，耐濕熱性能良好，相較而言，而CYCOM977-2 體系復(fù)合材料的保持率較好，但濕熱狀態(tài)下，其90°拉伸強(qiáng)度明顯下降，這可能是由于CYCOM977-2 體系復(fù)合材料吸水后產(chǎn)生塑化或溶脹，進(jìn)而對(duì)該基體樹脂的耐濕熱性能造成影響，并且90°拉伸強(qiáng)度主要受樹脂基體和纖維增強(qiáng)體界面結(jié)合性能的影響，在濕熱狀態(tài)下，CYCOM977-2 體系復(fù)合材料在132℃/濕態(tài)下仍能達(dá)到37%的保持率，因此，其界面性能及耐濕熱性能較好，但整體不如M21 體系復(fù)合材料好。

表2 三種不同環(huán)境下高溫固化環(huán)氧增韌標(biāo)模碳纖維單向帶層合板的基本力學(xué)性能Tab.2 Main mechanical properties of high temperature cured epoxy resin impregnated carbon fiber tape composite in three different environment

2.4 B 基準(zhǔn)值

本文研究的該兩組復(fù)合材料在國(guó)外民用飛機(jī)型號(hào)上主要應(yīng)用于襟副翼等次承力構(gòu)件，而作為尾翼主承力構(gòu)件系首次應(yīng)用。由于復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，通過(guò)鋪層設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)同一種材料在不同結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)用。

按照文獻(xiàn)[5]中第25.603 條材料，對(duì)于采用的材料需建立在經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，要考慮濕度和溫度環(huán)境的影響，并且材料的強(qiáng)度性能必須以足夠的材料試驗(yàn)為依據(jù)，制定設(shè)計(jì)值（材料B 基準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)許用值等）等等。本次的兩種材料經(jīng)驗(yàn)積累比較少，因此采用一定的試驗(yàn)進(jìn)行性能研究，在獲取的該兩組復(fù)合材料基本性能數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]，B基準(zhǔn)值是建立在統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的材料性能，根據(jù)概率基準(zhǔn)由層合板的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，是對(duì)指定母體中90%較高值的95%下容許限；基準(zhǔn)值的大小與獲得的數(shù)據(jù)量、所代表的批次數(shù)以及各批次間生產(chǎn)一致性相關(guān)，并考慮纖維批數(shù)和樹脂批數(shù)。若要計(jì)算B 基準(zhǔn)值，需覆蓋不同環(huán)境條件的30 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每批應(yīng)盡可能在不同環(huán)境條件下均勻分布，并且在每一研究狀態(tài)下至少3 批。因此本次性能研究要求每一環(huán)境條件下每一批至少保證6 個(gè)有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)并計(jì)算出該兩種層合板的B 基準(zhǔn)值，具體見表3。以表3中結(jié)果作為強(qiáng)度有限元計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入，結(jié)合平尾盒段和垂尾盒段實(shí)際承載情況，開展了典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，評(píng)估結(jié)果表明:該兩組復(fù)合材料基本均能滿足某型民機(jī)尾翼盒段設(shè)計(jì)和使用要求，其中，CYCOM 977-2-35-12KHTS-134 主要用于垂尾盒段的梁和壁板及普通肋部位，M21/34%/UD134/AS7-12K主要用于平尾盒段的梁、壁板及普通肋部位。

表3 高溫固化環(huán)氧增韌標(biāo)模碳纖維單向帶復(fù)合材料的B 基準(zhǔn)值Tab.3 B basis of high temperature cured epoxy resin impregnated carbon fiber tape composite

3 結(jié)論

（1）兩組預(yù)浸料的物理性能良好，揮發(fā)份小，流動(dòng)度適當(dāng)，以及凝膠時(shí)間適中，進(jìn)而保證了復(fù)合材料的工藝、物理和力學(xué)性能的穩(wěn)定性；

（2）兩組復(fù)合材料的干/濕態(tài)Tg變化規(guī)律與兩組復(fù)合材料力學(xué)性能受溫濕度影響的規(guī)律基本一致，這主要是受樹脂基體產(chǎn)生一定塑化的影響，但總體來(lái)說(shuō)，其耐濕熱性能和界面粘合性能均比較好，其中，M21 體系樹脂更好一些；

（3）從兩組復(fù)合材料的力學(xué)性能結(jié)果來(lái)看，M21體系復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能稍優(yōu)于CYCOM 977-2體系復(fù)合材料，進(jìn)而也表明了AS7 纖維性能稍優(yōu)于HTS 纖維，另外對(duì)比孔隙率結(jié)果，也說(shuō)明了M21 體系復(fù)合材料力學(xué)性能受其孔隙率的影響不大；

（4）依據(jù)三種環(huán)境條件下兩組復(fù)合材料的B 基準(zhǔn)值進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、評(píng)估和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果來(lái)看，該兩組材料基本均滿足某型民機(jī)尾翼盒段的設(shè)計(jì)和使用要求，對(duì)其在國(guó)內(nèi)其它方向或領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。