大尺寸金屬埋件與碳纖維蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)熱膨脹匹配研究

房怡，蔣貴剛，周占偉，朱大雷，姚雙

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京市 100094)

0 引言

碳纖維蒙皮(以下簡(jiǎn)稱碳蒙皮)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常是由較薄的碳纖維蒙皮與較厚的鋁蜂窩芯膠接而成。碳蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，因其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，已在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。當(dāng)碳蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)連接或設(shè)備安裝時(shí)，主要通過(guò)埋件來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。構(gòu)件整體通過(guò)埋件將載荷傳遞和擴(kuò)散，因此埋件的強(qiáng)度性能直接影響整體構(gòu)件的可靠性[3-5]。隨著衛(wèi)星功率的不斷增大，對(duì)載荷的需求也不斷提高，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中埋件尺寸相應(yīng)增大[6]。但蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的埋件多為硬質(zhì)鋁合金材質(zhì)，其與碳蒙皮熱膨脹系數(shù)存在數(shù)量級(jí)差異，故大尺寸鋁合金埋件應(yīng)用在碳蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)固化過(guò)程的升降溫過(guò)程使得埋件膠接必然存在較強(qiáng)熱應(yīng)力，極易導(dǎo)致蒙皮皺褶、開裂、分層或脫粘等損傷[7-8]。本文擬采用增加加強(qiáng)過(guò)渡層的補(bǔ)強(qiáng)方式，通過(guò)有限元仿真分析，結(jié)合工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，分析增強(qiáng)過(guò)渡層材質(zhì)和規(guī)格對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型的影響，降低工藝成型時(shí)熱應(yīng)力不良影響，避免碳蒙皮蜂窩夾層構(gòu)件開裂，為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 試件制備

1.1 材料

(1)蒙皮，高模量纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板，厚度0.4 mm，未加過(guò)渡層為試件a。

(2)加強(qiáng)過(guò)渡層蒙皮，試件b選用T300級(jí)碳纖維編織布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板，厚度0.2 mm；試件c選用T300級(jí)碳纖維編織布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板，厚度0.5 mm；試件d選玻璃纖維編織布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板，厚度0.2 mm。

(3)埋件，鋁棒2A12T4(GB/T 3191—2019)，直徑120 mm。

(4)蜂窩，有孔鋁蜂窩芯材LF2-Y(HB5443—90)，鋁箔厚度0.03 mm，格孔邊長(zhǎng)5 mm，芯高25 mm。

(5)膠黏劑，選用J-47 系列(Q/HSY 003—2012)，包括底膠J-47B，膠膜J-47C，發(fā)泡膠J-47D。

1.2 制備工藝

(1)預(yù)浸料，利用濕法獲取高模量纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸無(wú)緯布，厚度0.1 mm。

(2)蒙皮，將預(yù)浸料按纖維方向[0 °/+ 45 °/-45 °/90 °]次序疊合后經(jīng)真空袋-熱壓罐法固化成形。固化工藝為0.4 MPa，160 ℃，2 h，并于全過(guò)程保持-0.1 MPa的真空壓。

(3)埋件，按圖1采用數(shù)控機(jī)床加工。

(4)表面處理，埋件采取磷酸陽(yáng)極氧化處理，蜂窩芯材膠接面利用乙酸乙酯清洗，蒙皮膠接面打磨樹脂層后用乙酸乙酯清洗。

(5)按圖2結(jié)構(gòu)形式制作試件，試件固化工藝，利用真空袋-熱壓罐法固化，固化工藝為0.12 MPa，130 ℃，2 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 試件結(jié)果

圖1 金屬埋件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 試件結(jié)構(gòu)形式示意圖

按照?qǐng)D2所示結(jié)構(gòu)形式制作試件。試件經(jīng)歷室溫升至130 ℃保溫2 h后再降至室溫的固化過(guò)程中，試件a表面埋件圓環(huán)中心區(qū)域蒙皮局部出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，裂紋延伸方向垂直于蒙皮0 °方向；試件b表面埋件圓環(huán)中心區(qū)域蒙皮局部出現(xiàn)微裂紋現(xiàn)象，微裂紋方向垂直于蒙皮0 °方向(箭頭方向?yàn)槔w維0 °方向)；試件c、試件d表面狀態(tài)完好無(wú)損傷，蒙皮表面狀態(tài)如圖3所示。

圖3 蒙皮表面狀態(tài)圖

圖4 紅外檢測(cè)圖像

對(duì)試件a～d進(jìn)行音頻無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果表明：埋件與蒙皮之間未發(fā)現(xiàn)脫粘缺陷。進(jìn)一步采用紅外熱像技術(shù)對(duì)試件蒙皮斷裂區(qū)域及其周圍進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果表明：試件a在蒙皮斷裂區(qū)域，中心蒙皮裂紋上下范圍內(nèi)存在明顯的熱傳導(dǎo)異?，F(xiàn)象；試件b在細(xì)小裂紋區(qū)域出現(xiàn)熱傳導(dǎo)異?，F(xiàn)象，其他區(qū)域及試件c、d均未發(fā)現(xiàn)熱傳導(dǎo)異?，F(xiàn)象，具體形貌如圖4所示。

2.2 結(jié)果分析

由于金屬埋件尺寸較大，最大直徑為120 mm，且埋件由硬質(zhì)鋁合金制成，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)蒙皮由纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制成，其單向?qū)雍习辶W(xué)性能見(jiàn)表1。碳纖維復(fù)合材料蒙皮與鋁合金埋件熱漲系數(shù)不同，當(dāng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)采用J-47系列膠粘劑膠接為一體，再采取熱壓罐法于120 ℃下保溫2 h固化為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，恢復(fù)到室溫后，埋件安裝區(qū)域必然存在一定熱應(yīng)力。埋件中部蒙皮形成了一個(gè)機(jī)械緊箍環(huán)，當(dāng)埋件熱脹冷縮時(shí)，蒙皮與膠膜間的層剪可以抵御收縮應(yīng)力，應(yīng)力繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散，而直接對(duì)蒙皮產(chǎn)生擠壓載荷。故試件a埋件中心碳蒙皮強(qiáng)度小于降溫過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致蒙皮斷裂。

表1 高模量碳纖維單向板性能參數(shù)

針對(duì)內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致蒙皮斷裂問(wèn)題，可以通過(guò)減小內(nèi)應(yīng)力或增加蒙皮強(qiáng)度兩方面考慮。設(shè)計(jì)試件b、試件c在埋件與蒙皮間增加0.2 mm碳纖維編織布加強(qiáng)層起到增加蒙皮強(qiáng)度作用；設(shè)計(jì)試件d在埋件與蒙皮間增加玻璃纖維編織布0.2 mm過(guò)渡層起到減小鋁合金埋件收縮內(nèi)應(yīng)力作用。材料熱膨脹系數(shù)見(jiàn)表2。玻璃纖維膨脹系數(shù)介于碳纖維與鋁合金之間，降溫收縮過(guò)程鋁合金埋件產(chǎn)生應(yīng)力首先作用在玻璃纖維編織布上，編織布首先吸收一部分應(yīng)力，而編織布因膨脹系數(shù)不匹配自身產(chǎn)生的應(yīng)力不足以損傷碳纖維蒙皮。

表2 材料熱膨脹系數(shù)

從試件b最終結(jié)果可以看出，增加0.2 mm碳纖維編織布加強(qiáng)層的試件，固化后蒙皮表面仍存在細(xì)小裂紋，證明0.2 mm厚增強(qiáng)蒙皮強(qiáng)度可以一定程度上緩解蒙皮斷裂現(xiàn)象，但蒙皮強(qiáng)度仍不足以抵御內(nèi)應(yīng)力造成損傷；從試件c、試件d最終結(jié)果可以看出，增加0.5 mm厚的加強(qiáng)層，蒙皮強(qiáng)度大大提升，表面未出現(xiàn)損傷；增加玻璃纖維過(guò)渡層，對(duì)成型過(guò)程內(nèi)應(yīng)力起到了一定程度的緩沖，蒙皮表面也未出現(xiàn)任何損傷。

2.3 有限元分析

由于埋件鋁合金埋件，與碳蒙皮熱膨脹系數(shù)不一致，在結(jié)構(gòu)板固化過(guò)程中必然產(chǎn)生熱應(yīng)力，針對(duì)熱應(yīng)力問(wèn)題，利用PATRAN/NASTRAN軟件建立三維有限元模型(包括埋件、蒙皮、芯子、膠膜)進(jìn)行分析，模型如圖5所示。

圖5 三維有限元模型

計(jì)算工況為固化過(guò)程中降溫過(guò)程：即模型從120 ℃降溫至20 ℃，分析結(jié)果如圖6所示。采用HOFFMAN理論進(jìn)行復(fù)合材料安全裕度評(píng)估。

圖6 最小安全裕度分析

試件a蒙皮鋪層為高模量碳纖維/環(huán)氧樹脂 [0/+45/-45/90]時(shí)，蒙皮最小安全裕度為0.19，小于0.25的設(shè)計(jì)要求，可認(rèn)為蒙皮已經(jīng)破壞。試件b蒙皮鋪層為高模量碳纖維/環(huán)氧樹脂 [0/+45/-45/90]+T300/4211[0.2]時(shí)，蒙皮最小安全裕度為0.23，仍小于0.25的設(shè)計(jì)要求，可認(rèn)為蒙皮強(qiáng)度仍不滿足要求。試件c蒙皮鋪層為高模量碳纖維/環(huán)氧樹脂 [0/+45/-45/90]+T300/4211[0.5]時(shí)，蒙皮最小安全裕度為0.41，滿足大于0.25的設(shè)計(jì)要求，可認(rèn)為蒙皮強(qiáng)度滿足要求。

理論分析也進(jìn)一步印證了產(chǎn)品實(shí)際狀態(tài)，增加加強(qiáng)層可以提升蒙皮最小安全裕度。當(dāng)加強(qiáng)層厚度為0.5 mm時(shí)，蒙皮最小安全裕度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，蒙皮未發(fā)生損傷。

2.4 冷熱循環(huán)試驗(yàn)

為了充分釋放蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，考察加強(qiáng)層及過(guò)渡層是否從根本上解決蒙皮斷裂問(wèn)題，選取完好的試件c和試件d進(jìn)行冷熱循環(huán)試驗(yàn)。試件冷熱循環(huán)處理?xiàng)l件見(jiàn)圖7及表3。

圖7 試件冷熱循溫度曲線

表3 冷熱循處理?xiàng)l件

經(jīng)冷熱循環(huán)后，試件d蒙皮表面出現(xiàn)斷裂，且裂痕貫穿埋件開孔，如圖8所示。提取受損部位后對(duì)受損處蒙皮進(jìn)行進(jìn)一步剖析，發(fā)現(xiàn)蒙皮截面方向破壞形式為碳纖維-45 °層與90 °層間分層，而大多90 °層與玻璃纖維過(guò)渡層及膠膜結(jié)合良好，且玻璃纖維過(guò)渡層與鋁合金埋件未發(fā)生脫粘現(xiàn)象。這是由于-60 ℃到80 ℃，140 ℃的溫差循環(huán)6次，使得結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力釋放更充分。試件d蒙皮與埋件間為玻璃纖維過(guò)渡層，在冷熱循環(huán)應(yīng)力釋放過(guò)程中，鋁合金、玻璃纖維過(guò)渡層與碳蒙皮間的熱膨脹差異共同產(chǎn)生的應(yīng)力小于膠膜剪切強(qiáng)度但大于碳蒙皮纖維間的層間剪切強(qiáng)度，力通過(guò)層剪進(jìn)行擴(kuò)散和傳遞，故出現(xiàn)圖8所示的失效形式。

經(jīng)冷熱循環(huán)后，試件c蒙皮表面狀態(tài)完好無(wú)損傷，經(jīng)紅外探傷也未發(fā)現(xiàn)熱傳導(dǎo)異?，F(xiàn)象。說(shuō)明試件c中0.5 mm后碳纖維編織布加強(qiáng)層對(duì)蒙皮強(qiáng)度提升效果明顯，蒙皮強(qiáng)度完全可以抵御成型過(guò)程及冷熱循環(huán)過(guò)程中結(jié)構(gòu)釋放的應(yīng)力，從根本上解決了大尺寸環(huán)形金屬埋件與碳蒙皮熱膨脹不匹配導(dǎo)致蒙皮斷裂的問(wèn)題。

圖8 試件d冷熱循環(huán)后表面狀態(tài)

圖9 試件c冷熱循環(huán)后表面狀態(tài)及紅外圖像

3 結(jié)論

本文針對(duì)大尺寸鋁合金埋件與碳蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)不匹配易導(dǎo)致開裂問(wèn)題，通過(guò)有限元仿真分析、工藝件試制，結(jié)合無(wú)損探傷和冷熱循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)在大尺寸埋件與高模量碳蒙皮間增加加強(qiáng)層或過(guò)渡層，可以提升蒙皮強(qiáng)度，減小成型過(guò)程產(chǎn)生固有熱應(yīng)力，對(duì)蒙皮開裂現(xiàn)象有較大改善。

(2)在大尺寸埋件與高模量碳蒙皮間增加0.5 mm厚高強(qiáng)碳纖維編織布加強(qiáng)層，大大提升了蒙皮自身強(qiáng)度，可以從根本上解決由于熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致蒙皮斷裂的問(wèn)題，為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供技術(shù)支撐。