玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)成型技術(shù)研究

易學(xué)平，胡曉峰

(1.中國船舶集團公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003；2.海軍駐宜昌地區(qū)軍事代表室，湖北 宜昌 443003)

0 引言

夾層結(jié)構(gòu)的研究和生產(chǎn)，迄今已有80多年歷史，我國對夾層結(jié)構(gòu)的研究始于20世紀60年代。夾層結(jié)構(gòu)具有密度小、比強度高、比模量大和耐腐蝕等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于國防、航空、船舶以及工業(yè)建設(shè)中，船舶行業(yè)中在玻璃鋼潛艇、掃雷艇、游艇和水下產(chǎn)品中的許多構(gòu)件得到了廣泛應(yīng)用。玻璃鋼又稱玻璃纖維增強塑料(GFRP)，是以玻璃纖維及其制品為增強材料，合成樹脂作為黏合劑，經(jīng)過特定的成型工藝制造而成。本文對使用玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的某水下設(shè)備結(jié)構(gòu)特點進行了介紹，并重點對玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)成型工藝進行介紹，結(jié)合產(chǎn)品使用過程中出現(xiàn)分層和鼓包等問題，對成型工藝進行改進，改進后產(chǎn)品使用情況良好，可以滿足使用要求。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡介

夾層結(jié)構(gòu)一般是由三層材料制成的復(fù)合材料，如圖1所示。夾層復(fù)合材料的上下面層是高強度和高模量材料，夾芯層是較厚的輕質(zhì)材料，玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)實際上是玻璃鋼復(fù)合材料與其他輕質(zhì)材料的再復(fù)合。采用夾層結(jié)構(gòu)方式是為了提高材料的有效利用率和減輕結(jié)構(gòu)重量。以梁板構(gòu)件為例，在使用過程中，一要滿足強度要求，二要滿足剛度需要。玻璃鋼材料的特點是強度高、模量低，因此用單一的玻璃鋼材料制造梁板，滿足強度要求時，擾度往往很大；如果按允許擾度進行設(shè)計，則強度大大超過，造成浪費。只有采用夾層結(jié)構(gòu)形式進行設(shè)計，才能合理解決這一矛盾，達到在保證強度和剛度條件下減輕重量的目的，這也是夾層結(jié)構(gòu)得以發(fā)展的主要原因。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)示意圖

某水下設(shè)備要求具有一定的耐水壓能力，設(shè)備執(zhí)行完任務(wù)后，回收至后甲板放置，后甲板最高溫度不超過80 ℃。該水下設(shè)備主要由尾部殼體、尾部外框架、上垂直尾翼、下垂直尾翼和中水平尾翼等組成，如圖2所示。尾部外框架采用玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)，為大平板結(jié)構(gòu)；內(nèi)芯為浮力材料作為夾芯層，為設(shè)備提供浮力；外面包裹玻璃鋼作為蒙皮，保證整體強度。圖3所示為玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)截面。尾部殼體內(nèi)芯為浮力材料，外面包裹一層玻璃鋼；尾部殼體和尾部外框架之間通過尾翼連接成一體，連接方式為螺釘連接；螺釘安裝到位后，通過玻璃鋼糊制成一體，保證水下設(shè)備的形位公差和位置公差要求。

圖2 水下設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖1—尾部加強環(huán) 2—尾部外框架 3—上垂直翼 4—尾部球冠 5—尾部殼體 6—下垂直翼 7—中水平翼

圖3 玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)截面示意圖1—浮力材料夾層 2—玻璃鋼蒙皮

2 工藝方案選擇

水下設(shè)備工藝的難點在于尾部外框架的玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)要保證浮力材料與玻璃鋼之間膠接質(zhì)量良好的同時，還要保證玻璃鋼與玻璃鋼膠接區(qū)域的膠接質(zhì)量。特別是浮力材料與玻璃鋼分界面之間的粘接強度是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，若工藝不當(dāng)則容易在結(jié)合界面發(fā)生開膠而造成分層和鼓泡缺陷。本產(chǎn)品常規(guī)工藝有手糊成型、真空成型和手糊+真空成型三種。

手糊成型是以手工鋪設(shè)增強材料，浸漬樹脂，或者用簡單的工具輔助鋪放增強材料和樹脂。手糊成型工藝是最先使用的工藝方法，適用范圍最廣，其他方法都是手糊成型工藝的發(fā)展和改進。真空成型是用手工鋪疊方式，將增強材料和樹脂(含預(yù)浸材料)按設(shè)計方向和順序逐層鋪放到模具上，達到規(guī)定厚度后，經(jīng)加壓、加熱、固化、脫模和修整而獲得制品。與手糊成型工藝相比，其增加了加壓固化這道工序，是手糊成型工藝的改進，可以提高制品的密實度和層間粘接強度。

2.1 常規(guī)工藝說明

(1)手糊成型：制造便捷、工期短、易于操作，適用于大多數(shù)工況，不適于高溫條件(65 ℃以上)、高水壓(1 000 m以上)工況。該種工藝夾芯制品，會存在少量氣泡，高溫時，氣泡有可能會膨脹、匯聚，最終導(dǎo)致表層玻璃鋼蒙皮與夾芯泡沫分層乃至鼓包。

(2)真空成型：質(zhì)量優(yōu)異、氣孔率低、產(chǎn)品易密封、工期長，適用于各種高要求工況。

(3)手糊+真空成型：在手糊成型表面蒙皮前，預(yù)先通過真空成型工藝在浮力材料表面真空吸附填充樹脂，將孔隙用樹脂填實。該工藝介于前兩種工藝之間，適用于各種高要求工況。

2.2 工藝選定

本制品有內(nèi)襯工裝干擾，真空成型密封困難，工期長。剛開始工藝選用手糊成型工藝，效率高和工期快。產(chǎn)品使用一段時間后，在左右兩側(cè)及下框架出現(xiàn)局部鼓包現(xiàn)象，如圖4所示。將產(chǎn)品放入烘箱內(nèi)逐步升溫至80 ℃保溫2 h，未發(fā)現(xiàn)其他鼓包現(xiàn)象。對產(chǎn)品3個鼓包處進行切割打磨，發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：浮力材料與玻璃鋼撕開面粘接正常，鼓包集中在產(chǎn)品左右兩側(cè)和下框架中間區(qū)域；浮力材料粘接縫局部有氣泡和空隙。

圖4 產(chǎn)品使用過程中出現(xiàn)鼓包圖

2.3 原因分析

在進行浮力材料拼接時，兩種硬質(zhì)材料拼合，不可避免會混入一定氣泡遺留在制品中，并且全部集中在粘接界面內(nèi)。在高溫條件下，氣泡內(nèi)空氣膨脹，當(dāng)某一處氣泡較集中時，空氣匯聚脹大，對相應(yīng)表層玻璃鋼形成強力往外推力，導(dǎo)致界面剝離甚至鼓包。該種現(xiàn)象形成需要滿足以下條件：氣泡缺陷較集中，主要是浮力材料粘接處；較高溫度(65 ℃以上，一般80～100 ℃)；大平面的中心部位(邊沿或弧形處玻璃鋼層強力箍緊)。

3 小樣工藝驗證

制備小樣，對問題進行復(fù)現(xiàn)，并采用手糊+真空成型工藝方式修復(fù)驗證。

3.1 問題復(fù)現(xiàn)

(1)樣件制備。取3塊規(guī)格為300 mm×300 mm×45mm浮力材料，切割成“田”字型4塊后粘接拼合，然后手糊成型玻璃鋼蒙皮。1#樣件按本產(chǎn)品粘接要求，嚴格控制涂粘、壓緊、補涂，控制氣泡量。2#樣件粘接，人為留少量分散空泡缺陷。3#樣件粘接，有意識留集中空泡缺陷。

(2)升溫觀察。樣件制備完成后，3件樣件升溫。樣件升溫試驗要求見表1。

表1 樣件升溫要求表

試驗結(jié)果：1#樣件一直無分層鼓包。2#樣件在80 ℃保溫后出現(xiàn)分層，但未明顯鼓包，100 ℃保溫后狀態(tài)一樣。3#樣件在80 ℃保溫后出現(xiàn)明顯分層，有少許鼓包；在100 ℃時鼓包加重，出現(xiàn)明顯鼓包現(xiàn)象。

3.2 工藝調(diào)整驗證

采用手糊+真空成型工藝，進行工藝小樣驗證，采用出現(xiàn)分層和鼓包的2#和3#樣件進行工藝驗證。

將樣件鼓包分層的玻璃鋼蒙皮打磨開，在浮力材料粘接縫處開較深槽(寬度2～4 mm，深度3～5 mm)，其他區(qū)域縱橫50 mm開淺槽(寬度2～3 mm，深度1～2 mm)，然后浮力材料內(nèi)外表面鋪兩層纖維布，真空抽樹脂灌縫隙孔一次，將粘接縫灌充，在浮力材料表面形成新的結(jié)合界面，然后手糊玻璃鋼纖維蒙皮。按表2所示樣件升溫要求，進行升溫試驗和溫度循環(huán)試驗。最高溫度100 ℃時保持2 h，冷卻，再次進行升溫試驗，試驗結(jié)束后未發(fā)現(xiàn)分層和鼓包現(xiàn)象。

表2 樣件升溫要求表

3.3 分析和結(jié)論

樣件升溫試驗后，基本上復(fù)現(xiàn)了問題。由于樣件比較小，分層明顯，有少許鼓包，鼓包不明顯。對出現(xiàn)分層和鼓包的樣件采用手糊+真空工藝重新成型后，樣件升溫試驗和循環(huán)試驗后不再分層和鼓包。通過樣件試驗，復(fù)現(xiàn)了問題，說明問題原因與分析基本一致；采用手糊+真空成型工藝，能滿足制品在較高溫度環(huán)境下使用要求。

4 最終產(chǎn)品工藝方案

根據(jù)小樣試驗結(jié)果，最終產(chǎn)品工藝采用手糊+真空成型工藝，浮力材料粘接縫處和大平面處開槽，真空灌封樹脂，再手糊成型。具體工藝如下。

(1)浮力材料開槽：浮力材料粘接縫處開槽，寬度2～4 mm，深度3～5 mm，其他區(qū)域間隔約50 mm縱橫開槽，寬度2～3 mm，深度2～3 mm。

(2)外框架浮力材料內(nèi)芯粘接：在工裝上采用微珠粉膩子粘接浮力材料內(nèi)芯，完全固化后，拆除粘接工裝進行脫模。

(3)真空成型：按真空成型工藝，在外框架芯材內(nèi)外表面鋪設(shè)2層SW220纖維布，然后進行真空成型(QC360環(huán)氧樹脂，25～40 ℃升溫固化，保溫4～6 h)，灌充縫隙和成形過渡層，使得浮力材料表面形成新的分界面，完全固化后表面粗修整。

(4)手糊成型：按照手糊成型工藝，在新的分界面(真空成型表面)內(nèi)外表面手糊成型4mm玻璃鋼，邊緣圓滑過渡，表面精修整線型和尺寸。

(5)整體組裝：在平臺上，將尾部殼體放置外框架內(nèi)部，使外框架和尾部殼體中線重合，配鉆螺紋孔連接翼板、尾部殼體和尾部外框架，保證拖體尾部整體尺寸精度和位置精度。

(6)升溫試驗：按照表2升溫試驗要求進行升溫試驗和溫度循環(huán)試驗，然后放置室溫，檢查表面，應(yīng)無分層和鼓包等缺陷現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

針對使用玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的某水下設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)分層和鼓包等問題，影響設(shè)備正常使用，本文通過小樣進行問題原因分析和改進工藝驗證。采用手糊+真空成型工藝，改變手糊玻璃鋼浮力材料與玻璃鋼之間的分界面，有效地解決了問題。該方法可用于玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計，也為玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。