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,甚至還會導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件的報廢,造成重大經(jīng)濟損失。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)生機制引起了國內(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)西定律建立了一個二維流動-壓縮模型,指出剪切模量對弧形層板拐角處密實行為的影響較為關(guān)鍵,并通過實驗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,證實剪切模量高會使拐角區(qū)域密實程度顯著降低。Naji等[5-6]研究固化制度對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構(gòu)件不同位置處纖維密實和缺陷的影響規(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L形筋條、T形加筋板纖維密實和制造缺陷的影響。
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)對含曲率構(gòu)件密實行為影響的數(shù)值分析與實驗研究,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。本研究在對大量復(fù)合材料構(gòu)件無損檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(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制,測試剛性陽模/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)計提供參考。
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)計了一定時期內(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15類。統(tǒng)計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)計數(shù)據(jù)樣本Table1 Statistical data sample of manufacturing defects in composite components
選用日本富士公司的壓力測量膠片測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,一個涂有一層微囊生色物質(zhì),另一個涂有顯色物質(zhì),待膠片插入需測量壓力處,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?軟件對受壓膠片的灰度值進行統(tǒng)計,并通過標(biāo)定方程將其轉(zhuǎn)化為壓力值。測試原理如圖1所示。
圖1 軟模傳壓測試原理圖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)測試時的具體條件對壓力進行標(biāo)定。軟模的壓力測試是在100℃硅橡膠和金屬模具之間進行測試的,經(jīng)測試后灰度與壓力的標(biāo)定方程為:
式中:P為測量點壓力值;G為測量點的灰度值。
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、平板長度、鋪層層數(shù)、鋪層方式的L形層板(圖2(a)),并對其拐角及其臨近區(qū)域的厚度進行測定,厚度分布(截面圖)的測量位置如圖 2(b)所示,測量 P1~P11,11 個位置的厚度。對P4~P8的拐角區(qū)進行顯微形貌觀察,P1~P4和P11~P8的區(qū)域為平板區(qū)(其長度定義為平板長度)。
含曲率復(fù)合材料構(gòu)件陽模成型時,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的趨勢,使得層板厚度減小,同時由于模具的曲面結(jié)構(gòu)以及纖維本身的剛性,單元體有向外伸展的趨勢,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 纖維取向及厚度測量位置示意圖(a)纖維方向;(b)厚度測量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)力對構(gòu)件的密實過程起阻礙作用,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)域密實過程的不同,拐角區(qū)域與平板區(qū)域能否同步密實主要取決于預(yù)浸料在成型過程剪切變形的能力和外壓的施加情況。如果在密實過程中復(fù)合材料剪切變形能力很強、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。
熱壓罐固化成型的主要工藝參數(shù)是溫度、時間和壓力。其中加壓的作用可使纖維密實,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?。┑膲毫箻渲鞒鲞^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。對于含曲率構(gòu)件在熱壓罐成型時,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℃且未施加真空時的壓力分布情況,實驗結(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。
以大量復(fù)合材料構(gòu)件無損檢測數(shù)據(jù)為分析基礎(chǔ),不同曲率半徑對制造缺陷的影響如圖5所示,圖5中缺陷比例為缺陷個數(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 時缺陷比例最大(9% 左右);當(dāng) R=4mm、5mm、6mm 時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)驗公式計算[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 曲率半徑對制造缺陷的影響Fig.5 Effect of curvature radius on manufacturing defects
圖6 拐角區(qū)域制造缺陷的對比Fig.6 Contrast graph for defect type in corner section
拐角區(qū)域制造缺陷的對比如圖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,缺陷比例為缺陷個數(shù)與曲率變化引起缺陷總個數(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,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,R=2時產(chǎn)生的分層約占分層缺陷的一半。在陽模成型的L形層板,對于厚度相同(鋪層層數(shù) 16 層),曲率半徑分別為 2mm、4mm、6mm時,拐角區(qū)顯微形貌如圖7所示。
由圖7可見,對拐角區(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 時拐角區(qū)的分層程度最大,纖維密實程度很差;R=4mm 時分層程度減??;R=6mm 時拐角區(qū)很難發(fā)現(xiàn)分層,纖維密實程度很好。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拐角區(qū)的密實程度有很大影響。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、纖維密實程度提高。
由上述討論可知,復(fù)合材料構(gòu)件曲率半徑對纖維密實程度有很大影響,密實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,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,滲流機制與剪切流機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)域密實過程的進行,所以拐角區(qū)域密實的阻力較平板區(qū)大,較難密實,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,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,隨著曲率半徑增大,剪切變形能力增強,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,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,所以樹脂會向?qū)影宓倪吘壛鲃?,而拐角區(qū)域密實的阻力又比較大,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
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由拐角向兩側(cè)流動的趨勢,水汽和夾雜空氣形成的氣泡也會隨著樹脂向兩側(cè)移動,隨著樹脂凝膠程度的增大在兩側(cè)形成孔隙(圖9)。
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)計時避免出現(xiàn)較小曲率半徑的設(shè)計方案,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)壓實措施,分多次鋪層和抽真空進行預(yù)壓實,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
(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,纖維密實程度提高。
(4)在滲流機制與剪切流機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,這種分布規(guī)律并未因鋪層方式、厚度、平板長度的不同而發(fā)生變化。