不同鋪層工藝對超大厚度碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件拉拔性能的影響研究

沈偉，李冠華，譚波，贠麗娜，胡紀(jì)根

(1.紹興寶旌復(fù)合材料有限公司，浙江 紹興 312073；2.火箭軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 200000)

0 引言

隨著碳纖維復(fù)合材料在新型汽車、高速鐵路以及航天器應(yīng)用部位由次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)發(fā)展，復(fù)合材料構(gòu)件越來越趨于集成化、大型化和整體化，以減少零件數(shù)目和機體重量，使生產(chǎn)方式更簡單、產(chǎn)品更可靠[1]。

對于大型承力構(gòu)件，往往容易在部件連接處由于螺栓鉆孔、粘接等因素產(chǎn)生缺陷，進而導(dǎo)致應(yīng)力集中，加之大厚度(>20 mm)的構(gòu)件在固化時內(nèi)部樹脂基體將產(chǎn)生大量的固化熱量，導(dǎo)致熱失控、樹脂惡化等情況發(fā)生，也可能因存在大的溫度梯度而產(chǎn)生內(nèi)外固化不均勻、固化不完全、固化變形以及應(yīng)力缺陷等問題[2]，嚴(yán)重影響構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度。

受到工藝技術(shù)的限制，現(xiàn)今重要的超大厚度(>100 mm)構(gòu)件仍然主要采用傳統(tǒng)的金屬材料[3]，這些構(gòu)件的復(fù)合材料化對于機體本身的減重增強以及綜合性能的提升有重要作用。

本文利用碳纖維樹脂預(yù)浸料和預(yù)混料兩種形式的原材料產(chǎn)品，采用不同的鋪層工藝，制備超大厚度碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件樣品?；诼菟ɡ螠y試，研究不同鋪層方法對超大厚度復(fù)合材料構(gòu)件拉拔性能的影響，對比不同方法的工藝性和樣品的結(jié)構(gòu)強度，驗證鋪層工藝的實用性和可靠性。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

復(fù)合材料構(gòu)件樣塊選用T700/HT2單向帶預(yù)浸料、T700級短纖維(3～5 mm)/HT2預(yù)混料兩種原材料產(chǎn)品制備。其中碳纖維為國產(chǎn)12K T700級碳纖維絲，主要力學(xué)性能見表1；HT2為紹興寶旌復(fù)合材料有限公司自主研發(fā)的環(huán)氧樹脂；試驗用螺栓按GB/T3098.1執(zhí)行，選用M30×70/12.9級螺栓；嵌件材料選用錐形30CrMnSi。

表1 國產(chǎn)12K T700級碳纖維力學(xué)性能

1.2 鋪層及成型

復(fù)合材料基體采用長寬高為150 mm×150 mm×125 mm的方形試件，以模壓的方式一次成型。固化壓力為1.8 MPa，固化溫度為180 ℃，升溫速率控制在1 ℃/min，保溫保壓4 h；保溫時間結(jié)束后，保壓直至模溫自然降至60 ℃，然后卸壓啟模。

實驗設(shè)計了五種不同的鋪層方案，研究對比不同鋪層方法對超大厚度碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件拉拔性能的影響，具體方法如下。

G1：鋪層結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，沿厚度方向平疊鋪層，即預(yù)浸料與金屬嵌件軸線垂直，面內(nèi)鋪層角度設(shè)計為[(0 °/45 °/90 °/-45 °/0 °)s]n，鋪層以厚度方向中截面對稱，鋪層總厚度125 mm。厚度方向可以預(yù)先利用真空袋同時鋪層多個25～30 mm厚的平板，再通過預(yù)浸料將多個平板粘接成整體厚度為125 mm的平板。

G2：鋪層結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，平行厚度方向平疊鋪層，即預(yù)浸料與金屬嵌件軸線平行，面內(nèi)鋪層角度設(shè)計為[(0 °/45 °/90 °/-45 °/0 °)s]n，鋪層以嵌件軸線截面對稱，鋪層總厚度150 mm。厚度方向可以預(yù)先利用真空袋同時鋪層多個25～30 mm厚的平板，再通過預(yù)浸料將多個平板粘接成整體厚度為125 mm的平板。

G3: 鋪層結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示，采用T700級短纖維(3～5 mm)/HT2預(yù)混料壓件，先利用真空袋抽真空至坯體緊實致密，后進行模壓制備。

G4：鋪層結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示，靠近金屬嵌件小端沿厚度方向50 mm范圍采用預(yù)混料壓件制備，剩下部分采用預(yù)浸料鋪層制備，沿厚度方向平疊鋪層，即預(yù)浸料與金屬嵌件軸線垂直，面內(nèi)鋪層角度設(shè)計為[(0 °/45 °/90 °/-45 °/0 °)s]，預(yù)浸料鋪層厚度為75 mm。

G5：鋪層結(jié)構(gòu)如圖1(e)所示，沿厚度方向預(yù)混料與預(yù)浸料以5 mm厚交替疊加，預(yù)浸料面內(nèi)鋪層角度設(shè)計為[(0 °/45 °/90 °/-45 °/0 °)s]，每鋪設(shè)一層5 mm厚的料，進行一次抽真空處理，以保證內(nèi)部氣體排出，坯體達致密，最后模壓固化。

圖1 超大厚復(fù)合材料方形構(gòu)件鋪層方案示意圖

圖2展示了通過不同鋪層方案制備的超大厚度復(fù)合材料方形構(gòu)件照片，可以觀察到各構(gòu)件試樣形狀規(guī)則，未出現(xiàn)明顯變形和開裂。

圖2 超大厚復(fù)合材料方形構(gòu)件樣品照片

1.3 螺栓嵌入及拉拔測試

拉拔實驗嵌入件試塊裝配如圖3所示，試驗采用錐形30CrMnSi嵌套，基礎(chǔ)形狀為小端外徑φ44 mm，大端外徑φ74 mm，高度為110 mm，從小端開M30螺紋孔，螺紋孔深70 mm，螺紋深65 mm，試驗時采用M30螺栓擰入嵌件螺紋深度50 mm，實驗螺栓不得重復(fù)使用。

圖3 拉拔實驗螺栓嵌入件試塊裝配示意圖

如圖4所示，將完全固化成型的方形復(fù)合材料試件，按照錐形嵌件尺寸在基體上開錐柱形孔，將單個金屬嵌件埋入基體中。金屬嵌件端面低于復(fù)合材料基體端面5 mm，復(fù)合材料基體與金屬嵌件之間通過膠粘劑填充連接，控制膠層厚度小于0.3 mm。每組試樣制備5個復(fù)合材料構(gòu)件樣塊，利用Instron萬能材料試驗機進行拉拔試驗。

圖4 拉拔實驗嵌入件構(gòu)造示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鋪層工藝對復(fù)合材料構(gòu)件拉拔強度的影響

圖5展示了各復(fù)合材料構(gòu)件試樣拉拔測試極限載荷。對比G1和G2兩組試樣可知，當(dāng)完全利用預(yù)浸料直接鋪層時，G2試樣的極限載荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于G1，僅為G1的32.6%。而對比相同鋪層方向和G1和G3兩組試樣可知，不論是用預(yù)浸料層疊，還是用短纖維預(yù)混料模壓鋪層，拉拔測試極限載荷接近。對比利用短纖維預(yù)混料鋪層的G3、G4和G5三組試樣測試結(jié)果可知，該三組試樣的平均極限載荷接近于735 kN上下，差值基本在誤差范圍之內(nèi)。

圖5 不同復(fù)合材料構(gòu)件試樣拉拔測試極限載荷

2.2 不同鋪層工藝對復(fù)合材料構(gòu)件破壞行為的影響

圖6展示了各復(fù)合材料構(gòu)件試樣拉拔測試后的照片。對比G1和G2兩組試樣可知，當(dāng)完全利用預(yù)浸料直接鋪層時，G1試樣破壞行為導(dǎo)致螺栓被拉斷，復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)保持完整；G2試樣圍繞螺栓嵌件部位發(fā)生嚴(yán)重的分層破壞，構(gòu)件基本開裂解體，螺栓保持完好。這可能是由于鋪層厚度過大，內(nèi)部因固化時熱量不均勻而產(chǎn)生缺陷，以及由于平行厚度方向平疊鋪層導(dǎo)致拉拔測試時復(fù)合材料層間樹脂脆性斷裂，因而在較低的載荷下發(fā)生分層破壞。由此可知，對于超大厚度復(fù)合材料構(gòu)件利用全預(yù)浸料鋪層時，鋪層方向應(yīng)沿厚度方向平疊鋪層，且厚度不應(yīng)超過125 mm。

圖6 不同復(fù)合材料構(gòu)件試樣拉拔測試破壞照片

對比利用短纖維預(yù)混料鋪層的G3、G4和G5三組試樣拉拔測試破壞行為可知，該三組試樣的均表現(xiàn)為螺栓被拉斷，復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)保持完整。這說明，對于厚度不超過125 mm的超大厚度復(fù)合材料構(gòu)件，可通過預(yù)混料模壓鋪層或預(yù)混料/預(yù)浸料混合鋪層的方式，不僅能夠保證制品的力學(xué)性能和形狀穩(wěn)定性，還能提高生產(chǎn)的工藝性和效率。

3 結(jié)論

通過螺栓拉拔性能測試，研究了不同的鋪層工藝方法對超大厚度碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)強度的影響。實驗結(jié)果表明，對于利用全預(yù)浸料鋪層時，鋪層方向應(yīng)沿厚度方向平疊鋪層，且厚度不應(yīng)超過125 mm。此外，還可以采用預(yù)混料鋪層或預(yù)混料/預(yù)浸料混合鋪層的方式，該方式不僅能夠保證制品的力學(xué)性能和形狀穩(wěn)定性，還能提高復(fù)合材料制品的工藝性和生產(chǎn)效率。