復(fù)合材料變厚度端框整體成型工藝研究

張婭婷 付平俊 曹 勇 石永富 張志林

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

碳環(huán)氧復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、比模量高、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，通常用其代替飛行器上常用的結(jié)構(gòu)材料鋁合金，質(zhì)量可以減輕30%～40%。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有突出的高比剛度和比強(qiáng)度，而且平整度高，不容易變形，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，能大幅度提高結(jié)構(gòu)效率、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、增加有效載荷，滿足各種形式及承載的需求。運(yùn)載火箭的衛(wèi)星支架處于火箭的上面級(jí)，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量直接影響發(fā)射目標(biāo)的有效質(zhì)量。我國(guó)長(zhǎng)三甲系列火箭用衛(wèi)星支架采用碳面板/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，采用整體固化的內(nèi)面板與后端框、分瓣固化的外面板，與鋁蜂窩夾芯、金屬前端框?qū)崿F(xiàn)整體組裝共固化。

衛(wèi)星支架內(nèi)、外面板采用溶液法預(yù)浸料生產(chǎn)，樹(shù)脂含量波動(dòng)范圍大、預(yù)浸料單層厚度精度差、貯存期短、含揮發(fā)性溶劑，成型過(guò)程影響因素多且復(fù)雜，尤其是1mm厚度的內(nèi)面板與1.0mm～7.0mm的變厚度端框整體固化，工藝參數(shù)難以精確控制，不可避免地產(chǎn)生氣孔、疏松缺陷，影響最終制品的質(zhì)量。

該文以衛(wèi)星支架內(nèi)面板為研究對(duì)象，研究了熱熔法預(yù)浸料代替溶液法預(yù)浸料應(yīng)用于復(fù)合材料變厚度端框的整體成型工藝。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

MT300/602預(yù)浸料，熱熔法制備，航天材料及工藝研究所，樹(shù)脂含量為34wt%；工藝輔助材料，市售。

1.2 模具方案

衛(wèi)星支架內(nèi)面板主體采用陽(yáng)模成型，變厚度端框采用六瓣陰模進(jìn)行分瓣加壓。

1.3 工藝流程

衛(wèi)星支架內(nèi)面板成型的工藝流程如圖1所示。

圖1 內(nèi)面板成型工藝流程

衛(wèi)星支架內(nèi)面板成型過(guò)程要經(jīng)過(guò)預(yù)浸料下料、變厚度端框鋪層、內(nèi)面板鋪層、變厚度端框套裝、預(yù)壓實(shí)等工序，然后在熱壓罐中加熱加壓固化。

1.4 無(wú)損檢測(cè)

衛(wèi)星支架內(nèi)面板的無(wú)損探傷檢測(cè)方法執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)DqES219-88，儀器：超聲波探傷儀，USIP-12。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱熔法預(yù)浸料的特性及穩(wěn)定性分析

與溶液法預(yù)浸料相比，熱熔法預(yù)浸料的含膠量可以精確控制，可達(dá)±3%以內(nèi)，制備過(guò)程不含溶劑，揮發(fā)份含量低，二者的特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 預(yù)浸料特點(diǎn)對(duì)比

對(duì)比可以看出，熱熔法預(yù)浸料的揮發(fā)份含量降低，纖維及樹(shù)脂含量控制精確，制備效率提高，同時(shí)也減少了溶劑的污染。

衛(wèi)星支架內(nèi)面板一直采用溶液法預(yù)浸料生產(chǎn)，溶液法預(yù)浸料制備過(guò)程中使用大量揮發(fā)性溶劑，預(yù)浸料的揮發(fā)分含量高，厚度較大時(shí)，內(nèi)部小分子揮發(fā)物在厚度方向上難以隨樹(shù)脂流動(dòng)有效排出，導(dǎo)致變厚度端框很容易出現(xiàn)氣孔、疏松甚至分層缺陷，總?cè)毕菝娣e超出設(shè)計(jì)要求，近年生產(chǎn)的內(nèi)面板合格率僅為70%。而且，溶液法（濕法）預(yù)浸料存在制備效率低、樹(shù)脂含量波動(dòng)范圍大、預(yù)浸料單層厚度精度差、貯存期短、揮發(fā)性溶劑帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)等缺點(diǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)、質(zhì)量不穩(wěn)定、尺寸精度差等問(wèn)題。因此，采用熱熔法預(yù)浸料代替溶液法預(yù)浸料來(lái)生產(chǎn)內(nèi)面板，可以有效減少缺陷，提高生產(chǎn)效率。

2.2 熱熔法預(yù)浸料典型鋪層板力學(xué)性能分析

復(fù)合材料單向板的力學(xué)性能是表征碳纖維復(fù)合材料性能的重要指標(biāo)之一，采用14層單層厚度為0.15 mm的MT300/602熱熔法預(yù)浸料鋪制0°單向板，固化后未發(fā)現(xiàn)缺陷，表明鋪層板成型質(zhì)量良好。單向板的纖維體積含量控制在60±5%。對(duì)0°拉伸、壓縮、彎曲及層剪性能進(jìn)行測(cè)試，并與T300/648溶液法預(yù)浸料單向板常溫力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 單向板性能對(duì)比

由表2可以看出，MT300/602熱熔法單向板的0°拉伸、壓縮、彎曲、層剪性能均高于溶液法單向板的相應(yīng)性能，拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度分別提高了9.1%、26%和4.7%，離散系數(shù)普遍降低，材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性均有所提高。同時(shí)，MT300/602熱熔法單向板的層間剪切強(qiáng)度明顯提高，表明MT300碳纖維與602熱熔法樹(shù)脂的界面結(jié)合較好，熱熔法工藝使纖維浸漬更加充分。

溶液法預(yù)浸料采用手工裁切，而熱熔法預(yù)浸料采用自動(dòng)下料機(jī)裁切，后者角度準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性明顯優(yōu)于前者，在一定程度上提高了復(fù)合材料力學(xué)性能；溶液法樹(shù)脂溶液黏度低，流動(dòng)性優(yōu)于熱熔法，更易導(dǎo)致纖維歪斜，表面平整度不佳，也會(huì)對(duì)其力學(xué)性能造成一定影響，熱熔法預(yù)浸料內(nèi)纖維的取向度提高，纖維在預(yù)浸料中的分布也較前者更均勻，提高了MT300碳纖維的承載效率。

復(fù)合材料產(chǎn)品的力學(xué)性能通過(guò)隨爐板性能來(lái)間接反映。隨爐鋪層板的材料體系、鋪層順序、固化制度均與產(chǎn)品相同，因此，隨爐鋪層板的力學(xué)性能可作為檢驗(yàn)產(chǎn)品性能的重要依據(jù)。

根據(jù)衛(wèi)星支架內(nèi)面板蒙皮的鋪層順序和目前適用的熱熔法預(yù)浸料的厚度，優(yōu)選了以下兩種鋪層方式。P1：蒙皮鋪層方式[C/02/C/02/C]，名義厚度1.20mm；P2：蒙皮鋪層方式[C/0/C/0/C/0/C]，名義厚度1.25mm。

采用2個(gè)批次MT300/602熱熔法預(yù)浸料制備了P1和P2兩種鋪層方式的典型鋪層板，對(duì)其壓縮、彎曲、層間剪切性能進(jìn)行了測(cè)試，并與10個(gè)批次T300/648溶液法預(yù)浸料制備的衛(wèi)星支架隨爐試樣性能進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。

表3 典型鋪層板性能對(duì)比

P1和P2兩種典型鋪層板固化后表面光滑平整，經(jīng)無(wú)損探傷，均無(wú)缺陷。與T300/648溶液法鋪層板的性能相比，MT300602 熱熔法預(yù)浸料制備的相應(yīng)鋪層板力學(xué)性能均有不同程度的提高，力學(xué)性能提高主要是由于602熱熔法樹(shù)脂對(duì)MT300碳纖維浸漬性好，界面結(jié)合強(qiáng)度高，預(yù)浸料表面平整，質(zhì)量一致性好，鋪貼工藝性優(yōu)異，自動(dòng)下料機(jī)裁切角度準(zhǔn)確，有利于鋪層角度的準(zhǔn)確性及其一致性，使熱熔法預(yù)浸料鋪層板的綜合力學(xué)性能明顯高于溶液法制備的預(yù)浸料。MT300/602熱熔法預(yù)浸料制備的P1和P2兩種鋪層板力學(xué)性能相當(dāng)，可以滿足產(chǎn)品要求，P1鋪層板的性能比P2更優(yōu)。

采用MT300/602熱熔法預(yù)浸料鋪制的P1、P2衛(wèi)星支架典型鋪層板，制作典型蜂窩夾層板，標(biāo)記為P1、P2衛(wèi)星支架典型蜂窩夾層板，對(duì)其平壓、側(cè)壓、彎曲、雙壓剪性能進(jìn)行了測(cè)試，并與溶液法預(yù)浸料制備的蜂窩夾層板性能進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4 典型蜂窩夾層板性能對(duì)比

P1和P2兩種典型蜂窩夾層板固化后表面光滑平整，經(jīng)無(wú)損探傷，均無(wú)脫黏缺陷。由表4可以看出，MT300/602熱熔法預(yù)浸料制備的P1和P2蜂窩夾層板力學(xué)性能相當(dāng)，均能滿足產(chǎn)品要求。

與傳統(tǒng)的溶液法預(yù)浸料相比，MT300/602熱熔法預(yù)浸料制作的單向板、衛(wèi)星支架典型鋪層板、典型蜂窩板的力學(xué)性能均有不同程度的提升，應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)可以提升產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，優(yōu)選P1鋪層進(jìn)行生產(chǎn)。

2.3 復(fù)合材料變厚度端框的整體成型工藝優(yōu)化

衛(wèi)星支架內(nèi)面板蒙皮厚度僅為1mm，與7mm L型的變厚度端框共固化成型，采用陽(yáng)模成型，變厚度端框的根部容易出現(xiàn)氣孔缺陷，決定缺陷形成過(guò)程的工藝變化主要是熱量傳遞、樹(shù)脂固化、樹(shù)脂流動(dòng)和纖維密實(shí)，因此加壓時(shí)機(jī)、加壓模具和固化溫度、壓力都是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。

衛(wèi)星支架內(nèi)面板成型模具的主要組成部分如下。用于內(nèi)面板整體的主體陽(yáng)模和用于變厚度端框成型的分瓣陰模，其中，陰模分六瓣，保證能對(duì)變厚度端框表面均勻傳遞壓力，并承受固化時(shí)溫度、壓力所產(chǎn)生的應(yīng)力。模具應(yīng)充分考慮復(fù)合材料與模具之間的熱膨脹系數(shù)差，一般鋁模具的熱膨脹系數(shù)取24×10，碳纖維復(fù)合材料縱向熱膨脹系數(shù)取3×10，橫向熱膨脹系數(shù)取6×10。

衛(wèi)星支架內(nèi)面板鋪層分為變厚度端框鋪層和內(nèi)面板蒙皮的鋪層。

變厚度端框分為連續(xù)區(qū)和非連續(xù)區(qū)，要進(jìn)行2次鋪層。在原有的鋪層設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，將變厚度端框原43層溶液法預(yù)浸料優(yōu)化為54層熱熔法預(yù)浸料，重新分配鋪層角度及下料寬度，精確計(jì)算鋪層厚度，將變厚度端框使用的預(yù)壓實(shí)六瓣陰模的工作面尺寸進(jìn)行直徑方向2mm的微調(diào)，保證與鋪層型面的貼合。

根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)的角度和寬度進(jìn)行變厚度端框的鋪層，預(yù)浸料鋪制時(shí)應(yīng)盡量保證貼實(shí)，趕出層間帶入的空氣，每鋪1～2層使用電熨斗熨實(shí)，保證變厚度端框的均勻過(guò)渡，并監(jiān)控吸膠預(yù)壓實(shí)前、后的厚度及過(guò)渡情況，適當(dāng)調(diào)整鋪層數(shù)。

每完成部分鋪層須進(jìn)行一次熱壓實(shí)，預(yù)壓實(shí)過(guò)程在熱壓罐內(nèi)進(jìn)行，需要采用一定的整型模具，可采用1mm的分瓣薄鋁板，吸膠材料可采用濾紙或其他材料。

變厚度端框鋪層完畢，開(kāi)始鋪制內(nèi)面板蒙皮，蒙皮中的碳布均為單層鋪放，要求對(duì)接鋪制，搭接縫必須錯(cuò)開(kāi)，鋪至下端框拐角附近時(shí)需對(duì)碳布做開(kāi)口處理，0°無(wú)緯布要求對(duì)接鋪制，每塊碳布的中心線及無(wú)緯布0°纖維方向與主體陽(yáng)模母線方向一致。

內(nèi)面板蒙皮鋪層完畢后，將預(yù)壓實(shí)后的變厚度端框套裝至內(nèi)面板蒙皮上，用壓環(huán)、分瓣陰模和弓形夾對(duì)變厚度端框進(jìn)行均勻加壓，通過(guò)壓環(huán)上的螺栓進(jìn)行加壓。擰緊壓環(huán)螺釘及弓形夾時(shí)要對(duì)稱協(xié)調(diào)加壓，要同時(shí)保證下端框壓實(shí)及過(guò)渡區(qū)壓實(shí)：壓力保持1h～2h，間隔30min要對(duì)螺栓進(jìn)行再擰緊?？梢晧簩?shí)情況，將分瓣陰模更換位置后再加壓。

壓實(shí)完畢，對(duì)變厚度端框的翻邊進(jìn)行裁剪修邊，與模具齊平，變厚度區(qū)域根據(jù)壓實(shí)情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)料。

工藝設(shè)計(jì)如下。1）在典型鋪層板的工藝摸索中，優(yōu)化了預(yù)壓實(shí)的溫度、壓力及固化溫度、加壓點(diǎn)、保溫時(shí)間、固化壓力等工藝參數(shù)；變厚度端框由于厚度影響，樹(shù)脂的固化反應(yīng)放熱會(huì)比較明顯，固化過(guò)程導(dǎo)致溫度場(chǎng)不均勻，外加壓力減少，纖維含量會(huì)降低，外層纖維的密實(shí)程度降低，則滲透度較大，使內(nèi)層的樹(shù)脂更容易通過(guò)外層流出，有利于沿厚度方向纖維分布的均勻。為了更好地控制纖維密實(shí)程度，在保證變厚度端框內(nèi)氣孔可以排出的前提下，要盡可能選擇小的外加壓力；優(yōu)化后的預(yù)壓實(shí)溫度為70 ℃，壓力為0.1 MPa，保溫時(shí)間40 min。優(yōu)化后的固化溫度130 ℃，固化壓力0.6 MPa，保溫時(shí)間120min。2）樹(shù)脂軟化點(diǎn)、吸膠溫度、吸膠壓力及吸膠時(shí)間都會(huì)直接影響吸膠料的硬度、樹(shù)脂預(yù)固化度等，進(jìn)而影響固化加壓時(shí)壓力的傳遞、樹(shù)脂的黏度以及加壓時(shí)樹(shù)脂流出量等，因此要監(jiān)控壓實(shí)過(guò)程的吸膠量，及時(shí)作出吸膠材料用量的調(diào)整。3）內(nèi)面板包覆方式一般為全包狀態(tài)，典型包覆方式：在內(nèi)面板鋪層外表面依次包覆聚四氟乙烯玻璃漆布、吸膠材料、無(wú)孔隔離膜或玻璃紙、分瓣陰模、透氣氈以及尼龍薄膜。其中，聚四氟乙烯玻璃漆布從變厚度端框的過(guò)渡區(qū)根部分成兩段，分別對(duì)內(nèi)面板錐面和端框翻邊部分熨實(shí)，必要的部位適當(dāng)開(kāi)口。固化時(shí)吸膠材料一般采用濾紙，以對(duì)接的方式用膠帶固定。4）六瓣陰模要根據(jù)順序編號(hào)，固定放置位置，每?jī)砂觋幠Ｖg間隙要均勻，并用彈簧鋼片擋住間隙。為控制并保證內(nèi)面板下端框的壓實(shí)余量，在六瓣陰模下面要均勻加墊整圈一定厚度的墊片。分瓣陰模的上部要固定一圈彈簧鋼片，以免內(nèi)蒙皮被壓出褶皺。5）模具翻邊有棱角處要包覆3～4層透氣氈，然后安裝真空嘴、至少2根熱電偶。密封后，接通真空裝置，然后在熱壓罐內(nèi)固化。

2.4 復(fù)合材料變厚度端框的成型質(zhì)量

衛(wèi)星支架內(nèi)面板固化后，外觀成型質(zhì)量良好，表面光滑平整，變厚度端框圓滑過(guò)渡，拐角處無(wú)余膠，內(nèi)面板的主要厚度尺寸見(jiàn)表5。

表5 內(nèi)面板厚度尺寸及缺陷對(duì)比

由表5可以看出，內(nèi)面板成型后蒙皮厚度及加強(qiáng)區(qū)尺寸控制更加精準(zhǔn)，尺寸波動(dòng)范圍小，無(wú)損檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)缺陷面積僅為920 mm，占整個(gè)變厚度端框面積的0.09%，氣孔缺陷主要集中在變厚度端框根部，缺陷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溶液法預(yù)浸料制備的內(nèi)面板。

用熱熔法預(yù)浸料代替溶液法預(yù)浸料生產(chǎn)衛(wèi)星支架內(nèi)面板，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)和精細(xì)設(shè)計(jì)的工藝方案，可以有效減少變厚度端框的缺陷，排出多余的空氣和小分子物質(zhì)，提高衛(wèi)星支架內(nèi)面板的內(nèi)部質(zhì)量。

該衛(wèi)星支架內(nèi)面板與蜂芯、前端框、外面板組裝后，經(jīng)機(jī)加裝配的成品衛(wèi)星支架，順利通過(guò)解鎖分離試驗(yàn)考核。

3 結(jié)論

結(jié)論如下。1）MT300/602熱熔法單向板各項(xiàng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)普遍提高，離散系數(shù)普遍降低，材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性均有所提高，表明MT300碳纖維與602熱熔法樹(shù)脂的界面結(jié)合較好。2）與傳統(tǒng)的溶液法預(yù)浸料相比，MT300/602熱熔法衛(wèi)星支架典型鋪層板和蜂窩夾層板的力學(xué)性能數(shù)據(jù)普遍提升，可以應(yīng)用于衛(wèi)星支架的生產(chǎn)。3）采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)和精細(xì)設(shè)計(jì)的工藝方案，可以有效減少變厚度端框的氣孔缺陷，提高產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量。