熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件曲率半徑對(duì)制造缺陷的影響規(guī)律

王雪明,李韶亮,謝富原

（1．中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司復(fù)合材料檢測(cè)技術(shù)中心，北京101300；2．空裝駐北京地區(qū)第六軍事代表室，北京101300；3．合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，合肥230009）

曲率是復(fù)合材料構(gòu)件中最典型的一種幾何特征，在飛行器復(fù)合材料的梁、肋、筋條、彎角接頭等結(jié)構(gòu)中最為常見。含曲率的復(fù)合材料構(gòu)件在熱壓罐成型工藝過程中比復(fù)合材料平板結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，容易出現(xiàn)各種缺陷，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的力學(xué)性能和使用壽命，甚至還會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件的報(bào)廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，含曲率復(fù)合材料構(gòu)件的成型過程、易產(chǎn)生的缺陷類型及產(chǎn)生機(jī)制引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。Hubert等[1-3]基于有效應(yīng)力理論以及達(dá)西定律建立了一個(gè)二維流動(dòng)-壓縮模型，指出剪切模量對(duì)弧形層板拐角處密實(shí)行為的影響較為關(guān)鍵，并通過實(shí)驗(yàn)分析了缺陷與工藝條件之間的關(guān)系。Li等[4]采用Galerkin有限元的方法模擬固化后構(gòu)件纖維體積分?jǐn)?shù)的分布狀況以及構(gòu)件的變形，證實(shí)剪切模量高會(huì)使拐角區(qū)域密實(shí)程度顯著降低。Naji等[5-6]研究固化制度對(duì)L形構(gòu)件厚度和纖維分布不均的影響。鄧火英等[7]考察了L形層板真空袋成型過程主要工藝條件對(duì)構(gòu)件不同位置處纖維密實(shí)和缺陷的影響規(guī)律。Fernlund等[8]利用鋁制陽模成型C型肋板，研究5種不同形式的陰模對(duì)制件厚度分布的影響。Hassan等[9]研究L形層板真空袋成型工藝參數(shù)對(duì)孔隙含量的影響。本文作者[10-12]前期系統(tǒng)研究在膠接共固化和共固化整體成型工藝中，模具配合、填充料、曲率半徑、吸膠工藝等因素對(duì)L形筋條、T形加筋板纖維密實(shí)和制造缺陷的影響。

當(dāng)前研究多偏重于成型過程中工藝條件及材料物性參數(shù)對(duì)含曲率構(gòu)件密實(shí)行為影響的數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究，而關(guān)于曲率半徑與制造缺陷的關(guān)聯(lián)規(guī)律方面的相關(guān)研究較少，且復(fù)合材料構(gòu)件拐角區(qū)成型過程受力分析、壓力測(cè)試、成型質(zhì)量三方面的關(guān)系也缺少系統(tǒng)研究。本研究在對(duì)大量復(fù)合材料構(gòu)件無損檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，揭示曲率變化與制造缺陷的關(guān)聯(lián)規(guī)律，并結(jié)合拐角區(qū)的應(yīng)力分析及缺陷形貌分析制造缺陷的形成機(jī)制，測(cè)試剛性陽模/傳壓型橡膠軟模陰模成型L形層板拐角區(qū)的壓力分布，以期對(duì)含曲率復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工藝中缺陷的控制以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 統(tǒng)計(jì)樣本及實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

1.1 統(tǒng)計(jì)樣本與邊界條件

飛行器復(fù)合材料構(gòu)件種類繁多，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，本研究統(tǒng)計(jì)了一定時(shí)期內(nèi)生產(chǎn)的含曲率復(fù)合材料構(gòu)件，如梁、肋、筋條、彎接頭等共計(jì)15類。統(tǒng)計(jì)的缺陷類型及其分布情況等原始數(shù)據(jù)樣本如表1所示。

統(tǒng)計(jì)的復(fù)合材料制件均采用熱壓罐一次固化成型，所用材料體系均為碳纖維/QY8911-Ⅰ；所用模具均為橡膠軟模與鋼質(zhì)陽模配合，軟模輔助加壓。

表1 復(fù)合材料構(gòu)件制造缺陷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)樣本Table1 Statistical data sample of manufacturing defects in composite components

1.2 軟模傳壓測(cè)試方法

選用日本富士公司的壓力測(cè)量膠片測(cè)定固體表面壓力分布。這種膠片由A模和C模兩部分組成，PET聚酯膠片作為載體，一個(gè)涂有一層微囊生色物質(zhì)，另一個(gè)涂有顯色物質(zhì)，待膠片插入需測(cè)量壓力處，施壓后微囊破裂，生色物質(zhì)與顯色物質(zhì)相互反應(yīng)，膠片上出現(xiàn)紅色區(qū)，且色彩的深淺隨著壓力水平的改變而改變。通過Photoshop?軟件對(duì)受壓膠片的灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過標(biāo)定方程將其轉(zhuǎn)化為壓力值。測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 軟模傳壓測(cè)試原理圖Fig.1 Principle chart of pressure measurement for flexible mould

灰度和壓力之間具有良好的線性關(guān)系，但是溫度和接觸表面對(duì)壓力與灰度間的定量關(guān)系有顯著影響，應(yīng)當(dāng)根據(jù)測(cè)試時(shí)的具體條件對(duì)壓力進(jìn)行標(biāo)定。軟模的壓力測(cè)試是在100℃硅橡膠和金屬模具之間進(jìn)行測(cè)試的，經(jīng)測(cè)試后灰度與壓力的標(biāo)定方程為：

式中：P為測(cè)量點(diǎn)壓力值；G為測(cè)量點(diǎn)的灰度值。

1.3 厚度測(cè)定

以碳纖維/QY8911干法預(yù)浸料為材料體系，在陽模成型下制備不同曲率半徑、平板長(zhǎng)度、鋪層層數(shù)、鋪層方式的L形層板（圖2（a）），并對(duì)其拐角及其臨近區(qū)域的厚度進(jìn)行測(cè)定，厚度分布（截面圖）的測(cè)量位置如圖 2（b）所示，測(cè)量 P1～P11，11 個(gè)位置的厚度。對(duì)P4～P8的拐角區(qū)進(jìn)行顯微形貌觀察，P1～P4和P11～P8的區(qū)域?yàn)槠桨鍏^(qū)（其長(zhǎng)度定義為平板長(zhǎng)度）。

2 結(jié)果與討論

2.1 陽模成型過程拐角區(qū)應(yīng)力分析

含曲率復(fù)合材料構(gòu)件陽模成型時(shí)，在拐角區(qū)域?qū)影鍍?nèi)外表面面積不同，內(nèi)表面面積小于受壓面面積，傳到拐角區(qū)模具表面的壓力大于外壓面的壓力。拐角區(qū)域的單元體在厚度方向的外壓作用下，纖維層有沿厚度方向密實(shí)的趨勢(shì)，使得層板厚度減小，同時(shí)由于模具的曲面結(jié)構(gòu)以及纖維本身的剛性，單元體有向外伸展的趨勢(shì)，又由于邊界的束縛，使單元體在平行層板方向受壓縮力，如圖3所示，層板同時(shí)受到垂直層板的外力、平行層板方向的壓縮應(yīng)力以及切應(yīng)力。

圖2 纖維取向及厚度測(cè)量位置示意圖（a）纖維方向；（b）厚度測(cè)量Fig.2 Schematic diagram of thickness measurement and fiber orientation（a）fiber orientation；（b）thickness measurement

圖3 陽模成型拐角區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)示意圖Fig.3 Stress state in corner section of components molded by convex mould

密實(shí)陽模成型含曲率復(fù)合材料構(gòu)件的拐角區(qū)域必須克服平行層板方向的壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力，所以平行層板方向的壓縮應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的密實(shí)過程起阻礙作用，而在平板區(qū)域平行層板方向的壓縮力以及剪切應(yīng)力幾乎可以忽略，造成了含曲率構(gòu)件的拐角區(qū)域與平板區(qū)域密實(shí)過程的不同，拐角區(qū)域與平板區(qū)域能否同步密實(shí)主要取決于預(yù)浸料在成型過程剪切變形的能力和外壓的施加情況。如果在密實(shí)過程中復(fù)合材料剪切變形能力很強(qiáng)、外壓施加均勻，則壓縮和剪切所造成的阻力就越小，拐角就越容易密實(shí)。

2.2 橡膠軟模對(duì)拐角區(qū)壓力分布的影響

熱壓罐固化成型的主要工藝參數(shù)是溫度、時(shí)間和壓力。其中加壓的作用可使纖維密實(shí)，控制含膠量，防止產(chǎn)生孔隙、分層以及冷卻變形等。過大（或過小）的壓力會(huì)使樹脂流出過多（或過?。?，影響制件厚度，導(dǎo)致貧膠（或富膠）。熱壓罐工藝中預(yù)浸料鋪層拐角區(qū)不易受壓，壓力大小及分布與構(gòu)件曲率半徑、模具類型、剛度及配合方案有很大關(guān)系[13-15]，是影響復(fù)合材料制件成型質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素。對(duì)于含曲率構(gòu)件在熱壓罐成型時(shí)，傳壓型橡膠軟模相比于剛性硬膜有更高的傳壓效率[13]。本研究采用自行建立的固體壓力測(cè)試方法研究模具配合方案（剛性陽模/傳壓型橡膠軟模陰模），橡膠軟模對(duì)曲率突變區(qū)壓力分布的影響，拐角曲率半徑R=2mm，根據(jù)最終膠片的灰度可反映在氣壓0.4MPa、溫度100℃且未施加真空時(shí)的壓力分布情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 剛性陽模/傳壓軟模界面處壓力分布Fig.4 Pressure distribution in the interface between flexible mould and rigid convex mould

由圖4可見，在剛性陽模和傳壓型橡膠軟模的界面處存在著明顯的壓力分布不均，拐角區(qū)壓力明顯大于拐角兩側(cè)平板區(qū)的壓力，測(cè)試結(jié)果與陽模成型過程拐角區(qū)應(yīng)力分析結(jié)果較為一致。

2.3 曲率半徑對(duì)拐角區(qū)缺陷比例的影響

以大量復(fù)合材料構(gòu)件無損檢測(cè)數(shù)據(jù)為分析基礎(chǔ)，不同曲率半徑對(duì)制造缺陷的影響如圖5所示，圖5中缺陷比例為缺陷個(gè)數(shù)與相應(yīng)含曲率制件件數(shù)的比值，圖5中數(shù)據(jù)取自于表1。

由圖5可見，復(fù)合材料構(gòu)件拐角區(qū)的曲率半徑與制造缺陷有很大的關(guān)聯(lián)性，在統(tǒng)計(jì)的制件曲率半徑范圍內(nèi)，拐角區(qū)域的曲率半徑越小，越易出現(xiàn)缺陷，缺陷的可控性越差，R=2mm 時(shí)缺陷比例最大（9% 左右）；當(dāng) R=4mm、5mm、6mm 時(shí)缺陷比例迅速降低且三者相當(dāng)（2%左右）。復(fù)合材料構(gòu)件的最小圓角半徑一般按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[16]：Rmin=1+0.1n（n 為拐角處的層數(shù)），即曲率半徑與制件厚度有一定的關(guān)系，這樣也是為了降低缺陷的產(chǎn)生比例。

圖5 曲率半徑對(duì)制造缺陷的影響Fig.5 Effect of curvature radius on manufacturing defects

2.4 曲率半徑對(duì)分層的影響

圖6 拐角區(qū)域制造缺陷的對(duì)比Fig.6 Contrast graph for defect type in corner section

拐角區(qū)域制造缺陷的對(duì)比如圖6所示，D1～D6分別代表分層、孔隙、氣孔、富脂、貧膠和疏松6種缺陷類型，缺陷比例為缺陷個(gè)數(shù)與曲率變化引起缺陷總個(gè)數(shù)的比值，圖6中數(shù)取來自于表1。由圖6可見，在熱壓罐陽模成型時(shí)，受構(gòu)件拐角區(qū)域的曲率半徑影響最大的是分層，其次是疏松和孔隙，而富脂、貧膠受曲率半徑影響程度較小，尤其是曲率半徑較小時(shí)，R=2時(shí)產(chǎn)生的分層約占分層缺陷的一半。在陽模成型的L形層板，對(duì)于厚度相同（鋪層層數(shù) 16 層），曲率半徑分別為 2mm、4mm、6mm時(shí)，拐角區(qū)顯微形貌如圖7所示。

由圖7可見，對(duì)拐角區(qū)曲率半徑不同的復(fù)合材料構(gòu)件，分層程度有所不同，曲率半徑 R=2mm 時(shí)拐角區(qū)的分層程度最大，纖維密實(shí)程度很差；R=4mm 時(shí)分層程度減小；R=6mm 時(shí)拐角區(qū)很難發(fā)現(xiàn)分層，纖維密實(shí)程度很好。分層在制造過程中的影響因素很多，在材料體系、成型工藝、鋪層方式、厚度等因素相同的條件下，拐角的曲率半徑不同導(dǎo)致分層的程度不同，其原因可從構(gòu)件成型過程中拐角的應(yīng)力分布狀態(tài)來分析。由圖3拐角處的受力分析可知，含曲率構(gòu)件與平板構(gòu)件的不同之處在于平行層板方向的壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力不可忽略，纖維層剪切變形的能力和外壓的均勻性對(duì)拐角區(qū)的密實(shí)程度有很大影響。在垂直厚度方向外壓、壓縮應(yīng)力作用下，密實(shí)過程以及邊界的束縛纖維軸向被壓縮必然導(dǎo)致纖維的長(zhǎng)度縮短以適應(yīng)層板尺寸的變化[4]，除了可能導(dǎo)致纖維屈曲變形外，還可能產(chǎn)生分層。隨著曲率半徑的增大，拐角區(qū)變化比較緩和，壓縮應(yīng)力縮小且軟模傳遞的壓力更趨于均勻[17]，所以拐角區(qū)的分層程度減小、纖維密實(shí)程度提高。

2.5 曲率半徑對(duì)厚度分布的影響

由上述討論可知，復(fù)合材料構(gòu)件曲率半徑對(duì)纖維密實(shí)程度有很大影響，密實(shí)程度的直觀反映就是構(gòu)件厚度變化。曲率半徑分別為 2mm、4mm、6mm，不同鋪層方式、厚度、平板長(zhǎng)度的復(fù)合材料構(gòu)件的厚度分布情況如圖8所示。

圖7 曲率半徑對(duì)分層的影響Fig.7 Effect of curvature radius on delamination（a）R=2mm；（b）R=4mm；（c）R=6mm

由圖8可見，熱壓罐陽模成型含曲率構(gòu)件的厚度均呈現(xiàn)拐角部分厚，兩邊平板部分薄的趨勢(shì)，厚度有一定的不均勻性，這種厚度分布規(guī)律并未因鋪層方式、厚度、平板長(zhǎng)度的不同而發(fā)生變化，所以拐角區(qū)的曲率半徑的結(jié)構(gòu)特征與復(fù)合材料的厚度分布（密實(shí)程度）有一定的關(guān)聯(lián)性，厚度分布規(guī)律與數(shù)值模擬分析的一致性較好[4]。由圖3的受力分析可知，對(duì)于含曲率構(gòu)件的成型，不僅存在樹脂沿厚度方向的滲流，在剪切應(yīng)力作用下樹脂還發(fā)生剪切流動(dòng)，滲流機(jī)制與剪切流機(jī)制之間的耦合作用是含曲率構(gòu)件區(qū)別于平板構(gòu)件的重要成型特征[1]。纖維在其軸向是有一定剛度即抵抗剪切變形的能力，這種能力阻礙著拐角區(qū)域密實(shí)過程的進(jìn)行，所以拐角區(qū)域密實(shí)的阻力較平板區(qū)大，較難密實(shí)，厚度較大。90o鋪層中的厚度不均性大于準(zhǔn)各向同性，且隨著曲率半徑增大，厚度均勻性增加，這主要是由于拐角區(qū)域在外力作用下，90o鋪層纖維只有發(fā)生縱向剪切變形才能得到密實(shí)，而縱向剪切變形的阻力來源于纖維本身的剛性，阻力較大，所以90o鋪層的拐角相比準(zhǔn)各向同性而言較難密實(shí)，隨著曲率半徑增大，剪切變形能力增強(qiáng)，厚度趨于均勻。另外，雖然在層板的邊緣有擋條以阻擋樹脂的流動(dòng)，但是畢竟層板與擋條之間存在間隙，而且在層板的內(nèi)部和外部之間存在樹脂的壓力梯度，所以樹脂會(huì)向?qū)影宓倪吘壛鲃?dòng)，而拐角區(qū)域密實(shí)的阻力又比較大，導(dǎo)致在靠近拐角與平板的過渡區(qū)域樹脂含量最低，厚度最小。

圖8 曲率半徑對(duì)厚度分布的影響Fig.8 Effect of curvature radius on thickness distribution （ a） 90olay-up； （ b） quasi-isotropic lay-up； （ c） various thickness，R＝4mm；（d）various length of flat laminate，R＝4mm

2.6 曲率半徑對(duì)其他缺陷的影響

由表1可見，受曲率半徑影響的缺陷還有孔隙、氣孔，其分布受曲率半徑的影響不明顯；此外，在拐角區(qū)很少出現(xiàn)富脂。由于碳纖維/QY8911預(yù)浸料在熱壓罐成型條件下，樹脂中不含溶劑，成型溫度比較高（約180℃），水分會(huì)汽化形成孔隙，所以孔隙的主要來源是水汽和夾雜空氣。成型時(shí)的外壓較大，拐角區(qū)壓力明顯大于拐角兩側(cè)平板區(qū)的壓力，所以在拐角區(qū)的樹脂壓力也大于兩側(cè)平板區(qū)的樹脂壓力，因此樹脂在壓力梯度下會(huì)由拐角向兩側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)，水汽和夾雜空氣形成的氣泡也會(huì)隨著樹脂向兩側(cè)移動(dòng)，隨著樹脂凝膠程度的增大在兩側(cè)形成孔隙（圖9）。

2.7 小曲率半徑構(gòu)件制造缺陷的工藝控制措施

從上述研究結(jié)果可見，小曲率半徑構(gòu)件更易出現(xiàn)制造缺陷，因此，在復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)避免出現(xiàn)較小曲率半徑的設(shè)計(jì)方案，如果復(fù)合材料構(gòu)件不可避免出現(xiàn)小的曲率半徑，可在制造過程中采取如下工藝控制措施以避免出現(xiàn)制造缺陷：（1）采用傳壓型橡膠軟膜與鋼模配合；（2）采用抽真空預(yù)壓實(shí)措施，分多次鋪層和抽真空進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，在加壓前將鋪層中的空氣盡可能排出去。

圖9 拐角區(qū)域典型制造缺陷顯微圖Fig.9 Micrograph of manufacturing defects in corner section

3 結(jié)論

（1）在剛性陽模和傳壓型軟模陰模的界面處存在著明顯的壓力分布不均，拐角區(qū)壓力明顯大于拐角兩側(cè)平板區(qū)的壓力。

（2）在統(tǒng)計(jì)的范圍內(nèi)，拐角區(qū)域的曲率半徑越小，越易出現(xiàn)缺陷，缺陷的可控性越差，R=2mm時(shí)缺陷比例最大（9%左右）；在拐角區(qū)易出現(xiàn)分層、疏松、孔隙和厚度分布不均等缺陷。

（3）復(fù)合材料構(gòu)件拐角區(qū)的曲率半徑不同，分層程度也有所不同，隨著曲率半徑的增大，拐角區(qū)的分層程度減小，纖維密實(shí)程度提高。

（4）在滲流機(jī)制與剪切流機(jī)制之間的耦合作用下，含曲率構(gòu)件的厚度有一定的不均勻性，呈現(xiàn)拐角部分厚，兩邊平板部分薄的趨勢(shì)，這種分布規(guī)律并未因鋪層方式、厚度、平板長(zhǎng)度的不同而發(fā)生變化。