復(fù)合材料C型梁熱隔膜成型影響因素分析

（成都聯(lián)科航空技術(shù)有限公司，成都 611700）

在航空航天領(lǐng)域樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料的占比也逐漸增高，然而手工鋪疊的制造方式效率低、周期長(zhǎng)、內(nèi)部質(zhì)量不穩(wěn)定，對(duì)操作人員的手法、熟練程度及個(gè)人技巧依賴(lài)性高，在制造中甚至批量生產(chǎn)中不能連續(xù)生產(chǎn)，增加了生產(chǎn)成本[1]，近年來(lái)，自動(dòng)化成型的研究和應(yīng)用越來(lái)越多。自動(dòng)化成型不僅能夠大幅提高先進(jìn)復(fù)合材料的制造效率，也可實(shí)現(xiàn)各工藝流程的精確控制。自動(dòng)化制造技術(shù)得到工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，自動(dòng)鋪帶、鋪絲技術(shù)在寬體客機(jī)空客A350 機(jī)身蒙皮和波音787 機(jī)身筒段和尾椎上都得到了應(yīng)用，目前熱隔膜技術(shù)已在波音777 長(zhǎng)桁、V22 長(zhǎng)桁和A400M 機(jī)翼前梁等大型構(gòu)件中得到成功應(yīng)用[2–4]。

國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化技術(shù)起源于南京航空航天大學(xué)在“九五”期間率先調(diào)研的自動(dòng)鋪放成型技術(shù)[5]，在2005年肖軍課題組研制成功國(guó)內(nèi)第1 臺(tái)自動(dòng)鋪帶原理樣機(jī)，交付北京航空材料研究所用于環(huán)氧預(yù)浸料和雙馬來(lái)酰亞胺預(yù)浸料鋪帶適應(yīng)性與鋪帶工藝試驗(yàn)[6]。早期的熱隔膜成型是將熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料通過(guò)輔助真空和紅外加熱的方法成型零件，而當(dāng)前為了實(shí)現(xiàn)截面較復(fù)雜、角度較大零件的自動(dòng)化生產(chǎn)，將熱隔膜用于熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料，通過(guò)一定的溫度、壓力調(diào)節(jié)，使坯料的鋪層進(jìn)行層間滑移達(dá)到預(yù)定型的目的[7]，而過(guò)程中的層間滑移是為避免纖維褶皺和斷裂所必然發(fā)生的，靠的是樹(shù)脂和纖維之間的層內(nèi)剪切和層間轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。目前熱隔膜技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究主要集中在通過(guò)不變截面的C 型梁或長(zhǎng)桁成型的溫度、壓力和成型速度對(duì)制件質(zhì)量的影響，如王永軍[8]和姚雙[9]等對(duì)R6 和R18 的等截面C型梁采用編織物類(lèi)預(yù)浸料進(jìn)行工藝研究；邊旭霞等[10]采用R8 的工裝，對(duì)等截面的C 型梁熱隔膜成型工藝進(jìn)行了溫度和壓力的研究；趙科新等[11]對(duì)漸變、含斜坡區(qū)域的C 型梁熱隔膜成型進(jìn)行了過(guò)程數(shù)值仿真模擬，考察了熱隔膜過(guò)程中預(yù)浸料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及缺陷，然而對(duì)含丟層的變截面C 型梁的熱隔膜成型影響因素研究較少。

為了研究C 型長(zhǎng)桁、梁等變截面或等截面的熱隔膜制造工藝影響因素，試驗(yàn)采用了全鋪層和帶丟層設(shè)計(jì)的C 型梁模型，通過(guò)鋪帶工藝、鋪絲工藝自動(dòng)化制備成平板坯料，再由熱隔膜設(shè)備進(jìn)行預(yù)定型，模型中包含了不同厚度、不同丟層，也選取了國(guó)內(nèi)高溫高強(qiáng)的材料與國(guó)外A350 用材M21 做了對(duì)比，測(cè)試了熱隔膜成型中溫度分布及變化規(guī)律，對(duì)比了不同國(guó)內(nèi)外材料的自動(dòng)化鋪疊性能對(duì)熱隔膜成型過(guò)程的影響，為國(guó)產(chǎn)飛機(jī)自動(dòng)化制造業(yè)提供初步的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 材料及模型

為了研究預(yù)浸料坯料厚度對(duì)熱隔膜成型的影響，以及不同材料在R區(qū)層間滑移的表現(xiàn)，選取國(guó)產(chǎn)飛機(jī)中典型復(fù)合材料C 型梁的兩個(gè)幾何模型及常用的3 種樹(shù)脂體系高溫碳纖維預(yù)浸料進(jìn)行試驗(yàn)。

其中，材料共選取了國(guó)內(nèi)外3 種150mm 帶寬的單向鋪帶材料進(jìn)行研究，材料的信息及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)鋪絲材料是用鋪帶材料在南京航空航天大學(xué)進(jìn)行分切為12.7mm 絲束寬來(lái)匹配設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)用模型信息見(jiàn)表2，模型1 和模型2 的B區(qū)從貼膜面鋪層順序?yàn)閇0/45/90/–45/0]循環(huán)，其中對(duì)模型2 的A區(qū)和C區(qū)做局部加強(qiáng)，從貼膜面鋪層順序?yàn)閇0/90/45/–45/90/0/–45/45/0/90]進(jìn)行循環(huán)。

1.2 模具結(jié)構(gòu)

鋪放設(shè)備用的模具為簡(jiǎn)單含有靶標(biāo)定位的平板工裝，C 型梁的模具如圖1所示，其中X方向長(zhǎng)1030mm，Y方向?qū)?10mm，翻邊R為15mm，在X方向有兩個(gè)過(guò)渡區(qū)域，過(guò)渡區(qū)域?qū)挾萖=34.5mm，Y=200mm，高度差5mm，過(guò)渡后R為10mm，為變截面C 型梁工裝。本試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的模型1 為R15 的C 型梁，對(duì)應(yīng)的模型2 為變截面C 型梁，由R15 漸變?yōu)镽10，變截面C 型梁可有利于增強(qiáng)減重，在強(qiáng)度要求高的部位進(jìn)行增加鋪層，變截面后R半徑為10mm。

試驗(yàn)選擇典型復(fù)合材料C 型梁零件及對(duì)用工裝，采用1 個(gè)C 型梁工裝進(jìn)行不同材料，2 個(gè)模型的熱隔膜試驗(yàn)，主要是為了避免工裝產(chǎn)生的差異對(duì)試驗(yàn)的影響。

表1 試驗(yàn)材料性能參數(shù)Table1 Performance parameters of test materials

表2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ托畔able2 Experimental model information

圖1 C型梁模具結(jié)構(gòu)Fig.1 C spar tooling structure

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)中所使用的鋪帶機(jī)的型號(hào)為T(mén)ORRYLAYUP 3D，生產(chǎn)廠(chǎng)家為M.Torres，該設(shè)備主要用于鋪貼AC531 和M21 坯料；所用的鋪絲機(jī)為T(mén)ORRYESFIBERLAYUP，生產(chǎn)廠(chǎng)家為M.Torres，該設(shè)備主要用于EH104 鋪絲坯料的鋪貼；熱隔膜的型號(hào)為Mosites 1453–D，生產(chǎn)廠(chǎng)家為FILL，該設(shè)備主要用于坯料在熱隔膜機(jī)上預(yù)成型過(guò)程。

試驗(yàn)件選用設(shè)備及材料編號(hào)見(jiàn)表3。

1.4 坯料制備

由于坯料厚度越厚，層間相互黏性越強(qiáng)，層間滑移越困難，為確定熱隔膜層間滑移最佳鋪層數(shù)，選取國(guó)產(chǎn)EH104 材料為代表使用鋪帶方式，分別制備12 層、15 層、18 層和20 層的坯料，鋪層方向從工裝面往上為[0/45/90/–45/0]循環(huán)，材料厚度測(cè)試見(jiàn)圖2，確認(rèn)15 層為一個(gè)坯料的鋪層數(shù)。

其中，從圖2（b）的預(yù)成型坯表面可以看出，12 層的R角保持圓滑過(guò)渡；在15 層時(shí)有輕微拉扯表面隔離膜，但R角仍保持圓滑狀態(tài)；在鋪層達(dá)到18 層時(shí)，R角表層隔離膜拉扯已不明顯，而在R區(qū)接近腹板面有一條明顯的凹陷棱條，說(shuō)明預(yù)浸料在滑移過(guò)程中已發(fā)生粘連，纖維彎折；在20 層時(shí)，R區(qū)腹板面邊緣凹陷區(qū)域更大，此時(shí)纖維出現(xiàn)大量的彎折。由此確認(rèn)，試驗(yàn)鋪放坯料采用15 層為一個(gè)單元。

依據(jù)鋪層數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示，使用鋪絲、鋪帶設(shè)備對(duì)不同的材料以15 層為單位，按照鋪層順序進(jìn)行鋪放，其中SY–2、SY–4、SY–6 均含有丟層鋪放。

鋪放坯料如圖3所示。

1.5 熱隔膜溫度場(chǎng)測(cè)試

熱隔膜溫度均勻性測(cè)試：工裝的溫度均勻性調(diào)試目的是調(diào)節(jié)工裝和零件各區(qū)域升溫后的溫度在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，將工裝按實(shí)際試驗(yàn)位置放在真空平臺(tái)上，工裝需位于隔膜架上傳感器測(cè)溫點(diǎn)的下方，安放熱電偶，如圖4所示（其中，1～7 位置點(diǎn)依次放置熱電偶1～7）。

表3 試驗(yàn)組合編號(hào)Table3 Experimental combination number

圖2 熱隔膜材料厚度適宜性試驗(yàn) Fig.2 HD material thickness test

圖3 坯料鋪放過(guò)程Fig.3 Lay-up process of prepreg

加熱框降至真空平臺(tái)上，溫度設(shè)定為預(yù)成型溫度80℃，運(yùn)行自動(dòng)程序后，手動(dòng)做微調(diào)，確保零件工裝的溫度在（60±5）℃范圍內(nèi)，保存調(diào)試后的參數(shù)見(jiàn)表4。調(diào)節(jié)器、溫度傳感器界面見(jiàn)圖5。

參數(shù)說(shuō)明，為保證鋪層在預(yù)成型過(guò)程中充分升溫可延展，因此降低了抽真空的速率以提高坯料的預(yù)成型時(shí)間。

將坯料放置在已預(yù)熱的工裝上，并進(jìn)行合模，調(diào)用表4中的溫度均勻調(diào)試參數(shù)，進(jìn)行坯料熱隔膜預(yù)成型，在15 層坯料預(yù)成型后，覆蓋上隔離膜，放置第2 個(gè)15層坯料進(jìn)行熱隔膜。在開(kāi)模后打開(kāi)第2 層坯料，去除隔離膜，在重新覆蓋上第2 層坯料后，再次合模，確保第1、2 層坯料完全合并。60 層模型以此類(lèi)推。

其中，單次坯料和多次坯料的熱隔膜成型如圖6所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱隔膜成型溫度適宜性分析

溫度是纖維褶皺和層間滑移的重要參數(shù)之一[12]，在熱隔膜溫度在60～80℃時(shí)，層間摩擦阻力值較小，變形能力較高，易發(fā)生層間滑移。而成型溫度過(guò)高也會(huì)使得樹(shù)脂溢出，導(dǎo)致層壓板纖維體積分?jǐn)?shù)減小，拐角變薄等。

圖4 熱溫度均勻性熱電偶位置Fig.4 Thermocouples location on tooling

圖5 調(diào)節(jié)器/溫度傳感器界面Fig.5 Thermocouples monitor sensor interface

表4 熱溫度均勻性試驗(yàn)試樣熱隔膜參數(shù)表Table4 Parameter table of hot diaphragm for thermal temperature uniformity test sample

圖6 熱隔膜準(zhǔn)備（工裝坯料放置）Fig.6 Test prepare（Prepreg in tooling）

通過(guò)工裝熱溫度均勻性試驗(yàn)，在進(jìn)行SY–1 試驗(yàn)時(shí)，先設(shè)定程序?qū)ぱb進(jìn)行預(yù)熱，對(duì)工裝加熱能減少由于預(yù)浸料板與模具間熱交換而導(dǎo)致的熱損失，從而保證制件整體溫度均勻[13]。開(kāi)模放置料片，仍然運(yùn)行自動(dòng)程序，當(dāng)加熱區(qū)域溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，熱隔膜機(jī)開(kāi)始抽真空至–80kPa，按預(yù)設(shè)保壓時(shí)間10min 后，泄壓、降溫至結(jié)束，但實(shí)際的參數(shù)得出保壓溫度低于預(yù)設(shè)溫度，僅為48℃，是由于凈化間環(huán)境溫度（22℃）對(duì)熱隔膜的熱交換影響較大，同時(shí)由于試驗(yàn)件較小，僅打開(kāi)一個(gè)加熱區(qū)進(jìn)行加熱，升溫速率低于預(yù)期。手動(dòng)校核參數(shù)，待零件溫度達(dá)到接近預(yù)期（約55℃）后，再進(jìn)行保壓，達(dá)到–80kPa，保壓時(shí)溫度達(dá)到65℃。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于M21、AC531 和EH104 材料均為高溫固化材料，其熱隔膜預(yù)成型溫度設(shè)置在65～70℃之間預(yù)成型效果較好；當(dāng)溫度小于等于55℃時(shí)，其樹(shù)脂黏度較高，坯料的纖維不能完全展開(kāi)，在R區(qū)易形成褶皺和纖維彎曲；且AC531 樹(shù)脂黏性受溫度影響變化較大，因此在進(jìn)行熱隔膜預(yù)成型時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)預(yù)成型時(shí)間，保證期間保溫時(shí)間不低于15min。

2.2 分次熱隔膜與漸變鋪層分析

試驗(yàn)提出了一種大厚度分次熱隔膜的方法，其中試驗(yàn)件SY–1、SY–3、SY–5 鋪層相同，均含有30 層單向帶，分兩次坯料進(jìn)行熱隔膜成型，SY–2、SY–4、SY–6 含60層單向帶，分4 次坯料進(jìn)行熱隔膜。

褶皺的形成除了溫度外，抽真空速率也是一大影響因素。同一溫度下，真空速率越大，零件拐角處褶皺越嚴(yán)重；真空速率較小，零件無(wú)褶皺，表面光滑[14]。在無(wú)漸變R角試驗(yàn)件SY–1、SY–3、SY–5 中，采用30kPa/min 進(jìn)行抽真空，3 種材料單次熱隔膜表面狀態(tài)均無(wú)褶皺。在進(jìn)行第2 次坯料熱隔膜時(shí)，使用原有的熱隔膜參數(shù)30kPa/min 抽真空發(fā)現(xiàn)，C 型件腹板靠近R區(qū)表面狀態(tài)有輕微褶皺，當(dāng)打開(kāi)第2 個(gè)C 型坯料后，在二次坯料C 型件內(nèi)表面褶皺明顯，見(jiàn)圖6。當(dāng)二次坯料抽真空速率降低為6kPa/min 時(shí)，腹板面和內(nèi)表面均無(wú)褶皺。在取下二次熱隔膜坯料內(nèi)表面隔離膜后，進(jìn)行第3 次預(yù)成型，仍保持6kPa/min 的抽真空速率，開(kāi)模后預(yù)成型C 型件無(wú)大的褶皺，但有較小累積的印痕褶皺，且在固化脫模后，內(nèi)表面也保持光順無(wú)褶皺，詳見(jiàn)圖7。

對(duì)漸變鋪層的熱隔膜試驗(yàn)，采用的是4 次坯料的熱隔膜，在第1 次坯料熱隔膜時(shí)，用65℃預(yù)成型溫度，抽真空速率30kPa/min，腹板表面無(wú)褶皺，在漸變區(qū)褶皺不明顯；而在第2 次坯料熱隔膜時(shí)，降低抽真空速率至6kPa/min，發(fā)現(xiàn)在漸變R區(qū)已出現(xiàn)輕微褶皺；在進(jìn)行第3 次坯料熱隔膜時(shí)，同一位置褶皺加深，這與趙科新等[11]得到的含斜坡過(guò)渡區(qū)的C 型梁熱隔膜仿真模擬結(jié)果一致，波浪形褶皺出現(xiàn)在R區(qū)兩側(cè)，漸變區(qū)褶皺在翻邊區(qū)明顯，同時(shí)在多次坯料熱隔膜時(shí)，褶皺出現(xiàn)并加深，也是由于內(nèi)型面在受壓時(shí)，一部分壓力分散在上一層熱隔膜預(yù)制體上，壓力減弱造成的。分次熱隔膜表面褶皺見(jiàn)圖8。

同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中，多次坯料疊加熱隔膜成型，尤其是對(duì)漸變鋪層零件來(lái)說(shuō)，鋪層的定位準(zhǔn)確對(duì)褶皺影響也較大。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，在做坯料鋪放時(shí)，每個(gè)料片均好切口定位，在熱隔膜時(shí)靠切口定位保證位置的準(zhǔn)確性，減少由于位置不一造成的褶皺影響，切口見(jiàn)圖9。

2.3 原材料對(duì)比分析

圖7 SY–1 兩次坯料疊加熱隔膜零件固化后內(nèi)外表面和斷面圖Fig.7 Inside/outside surface and cross-section of SY–1 cured after two times HD test

對(duì)熱隔膜的層間滑移來(lái)說(shuō)，熱固性樹(shù)脂本身的性能也是影響的一大因素，樹(shù)脂在加熱的情況下會(huì)呈現(xiàn)出液態(tài)、橡膠態(tài)和玻璃態(tài)等[15]，而在這些狀態(tài)下又呈現(xiàn)出不同的黏度，引起熱隔膜成型時(shí)層間滑移所受的阻力不同，從而造成層間滑移的最終形式不同，即出現(xiàn)褶皺。為了對(duì)比3 種材料的工藝性，選取的3 種材料均屬于在180℃固化的樹(shù)脂，其中M21 材料是經(jīng)鋪放設(shè)備廠(chǎng)商M.Torres 反復(fù)驗(yàn)證的已經(jīng)應(yīng)用在空客A350 上的材料，AC531 和EH104 都是國(guó)內(nèi)在軍機(jī)上應(yīng)用頗為廣泛的材料。

圖8 分次熱隔膜褶皺出現(xiàn)情況Fig.8 Winkles appearance in HD part

圖9 坯料定位切口Fig.9 Prepreg localization incision

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，M21 在鋪貼時(shí)對(duì)設(shè)備的適宜性較好，在鋪放第1 層時(shí)，在不開(kāi)紅外的情況下，與工裝面粘連性一般，會(huì)在受力的情況下發(fā)生位移，在可靠噴涂少許膠黏劑解決，亦可在打開(kāi)紅外的情況下簡(jiǎn)單鋪放。這與材料的樹(shù)脂含量和樹(shù)脂流動(dòng)性有關(guān)，樹(shù)脂含量34%，在室溫環(huán)境下，樹(shù)脂黏度較低，樹(shù)脂流動(dòng)性為9%，打開(kāi)紅外后，樹(shù)脂迅速發(fā)黏，適宜于鋪貼；而AC531 材料樹(shù)脂含量為35%，揮發(fā)分較低為0.8%，說(shuō)明樹(shù)脂中含有可揮發(fā)的溶劑等小分子較少。在不開(kāi)紅外的常溫狀態(tài)下顯得材料較干，無(wú)法粘連完成鋪放，而在打開(kāi)紅外后，鋪貼性能優(yōu)于M21，流動(dòng)性適中，不會(huì)產(chǎn)生溢膠。而EH104材料，由于樹(shù)脂含量為38%，比M21 和AC531 都高，在打開(kāi)紅外鋪放時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)度發(fā)黏造成鋪放性能不好，EH104 僅適用于關(guān)閉紅外系統(tǒng)后的鋪放，同時(shí)在需要定位或壓實(shí)的點(diǎn)打開(kāi)紅外進(jìn)行加強(qiáng)。3 種材料在第2 次坯料熱隔膜預(yù)成型后的表面狀態(tài)對(duì)比見(jiàn)圖10。

圖10 3種材料在第2次坯料熱隔膜預(yù)成型后表面狀態(tài)Fig.10 Surface of second HD of different material

在熱隔膜試驗(yàn)中，3 種材料在第1 次坯料預(yù)成型時(shí)表面無(wú)較大的差別，其中AC531 在預(yù)成型后表面有輕微發(fā)白的現(xiàn)象，其他兩種材料均為光亮表面；在第2 個(gè)坯料預(yù)壓實(shí)后，AC531 層間滑移一般，更容易產(chǎn)生褶皺，且出現(xiàn)坯料與坯料間不貼合的現(xiàn)象（圖11），是由于樹(shù)脂含量較低，揮發(fā)分較少，樹(shù)脂流動(dòng)性也一般，在第2 次疊加坯料后，層間滑移受第1 層坯料表面粗糙度影響及材料層間多余小分子較少的影響。而EH104 的層間滑移效果要更好，但在層數(shù)較多時(shí)仍不能避免在漸變區(qū)產(chǎn)生褶皺。

2.4 鋪放方式對(duì)熱隔膜影響分析

鋪帶的熱隔膜坯料更容易產(chǎn)生褶皺，且在熱隔膜后，表層纖維帶料見(jiàn)間距較大，最大的擴(kuò)展到4mm；而鋪絲的坯料在熱隔膜后，褶皺較輕微，間隙均勻增大，最大間隙擴(kuò)展到3mm。由鋪絲進(jìn)行的漸變鋪層熱隔膜零件SY–06，最終零件褶皺較少，與分散鋪層間隙更有利于層間滑移相關(guān)，如圖12所示。

3 結(jié)論

（1）預(yù)成型溫度過(guò)低時(shí)，纖維會(huì)出現(xiàn)彎折，并會(huì)顯示在完全固化的零件中；預(yù)成型溫度以65℃為宜；熱隔膜控溫在自動(dòng)升溫后，需手動(dòng)升溫確保溫度在所需的范圍內(nèi)；預(yù)成型溫度和壓力均與試驗(yàn)材料有關(guān)，AC531的保壓時(shí)間要比M21 和EH104 稍長(zhǎng)。

圖11 SY–03熱隔膜狀態(tài)及貼合面打開(kāi)并固化后R區(qū)褶皺Fig.11 HD of SY–03,opened in prepreg face,wrinkles in R after cured

圖12 不同鋪放方式對(duì)熱隔膜后固化零件表面影響Fig.12 Effect for cured surface by different laying methods

（2）分次熱隔膜坯料，首次在30kPa/min 的抽真空速率下零件的褶皺較少，第2 次坯料抽真空，無(wú)漸變鋪層在6kPa/min 抽真空速率下零件狀態(tài)較好；在有漸變鋪層時(shí)，第2 次坯料在低速率抽真空情況下在漸變區(qū)仍會(huì)出現(xiàn)褶皺。

（3）AC531 材料對(duì)比M21 材料鋪放性能更好，但在二次坯料熱隔膜時(shí)貼合性和層間滑移性較差；EH104對(duì)比M21 鋪放性能較差，但在二次坯料熱隔膜時(shí)貼合行和層間滑移性能無(wú)異。

（4）鋪絲成型的坯料較鋪帶成型的坯料，更適宜于做熱隔膜成型。