不同自動鋪絲工藝參數(shù)對T800級碳纖維/環(huán)氧復合材料孔隙率的影響研究*

劉鈞天，陳 萍，閆 超，肖 鵬

（中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 200436）

碳纖維復合材料由于其高比強度、高比模量、抗疲勞、抗腐蝕等特性，廣泛應用于民用航空領(lǐng)域[1–2]。而隨著復合材料結(jié)構(gòu)的大型化及復雜化，手工鋪疊及自動鋪帶工藝已不能滿足機身等復雜零件的制造，由自動鋪絲工藝制造的零件占比在逐步增加[3–4]。

但復合材料的制造過程中容易形成孔隙等微觀缺陷，直接影響到復合材料的使用性能。石林[4]的試驗數(shù)據(jù)表明，孔隙率在0～5%范圍內(nèi)，每增加1%，層間剪切強度下降約7%，彎曲強度下降約10%。因此民用航空領(lǐng)域?qū)秃喜牧辖Y(jié)構(gòu)件孔隙率的要求很高，體積百分比不能超過2%。測定復合材料孔隙率的方法主要有阿基米德密度法、樹脂酸蝕法、顯微照相法、無損檢測法等，其中超聲檢測是檢測復合材料缺陷最常用的方法之一，該方法便捷且準確[5–11]。目前波音、空客等公司也均采用超聲C掃描進行復合材料結(jié)構(gòu)件的孔隙率測定[12–14]。

影響孔隙缺陷形成的工藝參數(shù)較多，在工程上，探究各項參數(shù)對復合材料孔隙率的影響意義重大，但目前該方面的研究較少。本文主要采用自動鋪絲工藝制備試驗層板，探究固化壓力、層板厚度及尺寸、自動鋪絲壓緊力等各項參數(shù)對孔隙率及孔隙分布的影響，并采用超聲C 掃描判斷復合材料層板孔隙率區(qū)間，為自動鋪絲工藝制造復合材料結(jié)構(gòu)零件提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 層板制備

本試驗原材料采用T800 級碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料，單根絲束寬度為6.35 mm，同時鋪放16 絲束；由機器人式鋪絲機進行自動鋪放后，使用熱壓罐成型工藝制備復合材料層板。固化制度如下：

（1）抽真空至少–80 kPa；

（2）熱壓罐加壓至選定的不同固化壓力，當壓力達到140 kPa 時，真空袋與大氣聯(lián)通；

（3）熱壓罐達到全壓時升溫，在 （180±6）℃下固化至少120 min，升溫速率0.5～3 ℃/min；

（4）降溫速率不超過3 ℃/min，至60 ℃以下卸壓。

本試驗制造了3 種常用鋪層的層板，其編號及對應鋪層信息如表1所示。

表1 層板鋪層信息Table 1 Laminate information

1.2 表征方式

通過在檢測設(shè)備上對該材料體系的孔隙率對比試塊進行標定，制得不同孔隙率對應超聲衰減系數(shù)的評判關(guān)系曲線，曲線可用以確定2%以下的孔隙率，因?qū)嶋H零件制造中孔隙率超過2%已無法滿足工程需要，故對超出2%孔隙率的研究并不存在實際指導意義。

準備與所制造層壓板鋪層相同的標塊作為優(yōu)區(qū)，優(yōu)區(qū)是層壓板依據(jù)GB/T 3365—2008《碳纖維增強塑料孔隙含量和纖維體積含量試驗方法》，通過金相法統(tǒng)計面孔隙率確定為0 孔隙率的層壓板，使用超聲C 掃描（探頭頻率5 MHz）評估層板的孔隙率區(qū)間值，掃描方式為噴水穿透法。并使用手動接觸式A 掃描 （探頭頻率5 MHz）對區(qū)間值進行復測校核，掃描方式為脈沖反射法。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化壓力對鋪絲層板孔隙率的影響

控制鋪放層板尺寸相同 （300 mm×500 mm）、鋪絲端頭壓緊力500 N、制造方式等各項參數(shù)不變的情況下，僅改變固化壓力，不同鋪層層板測定的孔隙率最大與最小值，即層板的孔隙率區(qū)間范圍，如圖1所示?？梢钥闯觯m然層板的鋪層、厚度不同，但隨著固化壓力的改變，孔隙率的變化趨勢是接近一致的。固化壓力從600 kPa 降至400 kPa，層板的孔隙率始終為0，這是由于較大的壓力使鋪層與鋪層間得到了充分壓實。當固化壓力下降至350 kPa 時，層板孔隙率迅速增長至1%左右；而固化壓力由350 kPa 減少至200 kPa 的過程中，孔隙率的增長趨勢逐漸放緩；直至固化壓力減小到200 kPa，層板孔隙率最大值已超過2%。由此可見，固化壓力與孔隙率之間也并不只是簡單的線性關(guān)系，而是當固化壓力下降到某一階段時，孔隙率呈現(xiàn)先快速增加又逐漸減慢增加的變化。

圖1 不同固化壓力下鋪層層板孔隙率Fig.1 Porosity of laminate under different curing pressures

孔隙的產(chǎn)生可能是由于材料自動鋪放過程中，空氣包埋在預浸料層間，或環(huán)氧樹脂吸入了一定水分，在固化過程中產(chǎn)生揮發(fā)分蒸汽壓。固化壓力減小到一定值時，壓力已不足以使包埋或固化反應產(chǎn)生的氣體充分排出，從而形成了明顯的孔隙。但無論是包埋的空氣或固化反應產(chǎn)生的氣體均是有限的，這也很好地解釋了當壓力進一步減小時，孔隙率增加的趨勢逐步放緩的現(xiàn)象。而且僅改變固化壓力這一參數(shù)，層板上產(chǎn)生孔隙率相對比較均勻，并未出現(xiàn)孔隙率最大值與最小值相差很大的情況，差異最大的組為B02 鋪層在250 kPa 的壓力下固化，孔隙率最大值與最小值相差0.37%。

2.2 鋪絲層板厚度對孔隙率的影響

圖2為使用相同固化壓力下，不同厚度的層板的孔隙率及其區(qū)間范圍。通過比較可以明顯地看出，當固化壓力減小至相同值時，鋪絲層數(shù)較多的層板孔隙率明顯高于層數(shù)較少的層板。采用400 kPa 的固化壓力時，所有鋪層的層板的孔隙率均為0。當固化壓力減小至350 kPa后，B03 鋪層層板的最大孔隙率值比B01 鋪層層板最大孔隙率值高出近0.4%?？梢姰敼袒瘔毫档蜁r，孔隙率對厚鋪層層板的敏感度也是高于薄鋪層層板的。這可能是由于相比內(nèi)部的孔隙，接近層板表面的氣體更容易被排出。同時鋪層數(shù)越多，鋪放時包埋在層內(nèi)和層間的空氣相對較多，而層板的尺寸相同，表面用以排出內(nèi)部孔隙的面積是一定的，這就造成了較厚層板的孔隙率相對較大。同時，固化溫度升高，樹脂的黏度降低，固化壓力以壓強的形式作用在層板上；而遠離層板表面的區(qū)域壓強相對較小，導致層板內(nèi)部的氣體難以及時排出，使得層板遠離層板表面的位置產(chǎn)生了孔隙率較高的情況。

圖2 不同厚度層板孔隙率區(qū)間值Fig.2 Interval values of porosity of different thickness laminates

為進一步探究孔隙在層板厚度方向上的分布情況，選取250 kPa 固化壓力下，3 種厚度層板剖切，做金相顯微鏡觀察，如圖3所示。

可以看出，沿層板厚度方向孔隙的分布情況并不是均勻的，靠近層板上表面 （貼袋面）的鋪層孔隙較少，幾乎看不到明顯的孔隙；而靠近中間及底部（貼模面）鋪層的位置孔隙明顯增多?？梢姽袒^程中，鋪層內(nèi)部存在明顯的壓力梯度，原因可能為：相比于較薄鋪層，較厚鋪層的樹脂不易流出，能保持更高的樹脂壓力。從金相顯微圖像上也可看出，靠近頂部鋪層的壓實程度明顯高于靠近模具表面的鋪層。

2.3 鋪絲層板尺寸對孔隙分布的影響

控制鋪絲端頭壓緊力500 N、固化壓力300 N、制造方式等各項參數(shù)不變的情況下，分別鋪放200 mm×300 mm、300 mm×500 mm、400 mm×600 mm 這3 種 尺寸的層板，圖4為孔隙率區(qū)間比較?？梢钥闯?，鋪放的層板尺寸不同，孔隙率區(qū)間的中值基本接近，但鋪放層板尺寸越大，孔隙率的區(qū)間范圍越大，200 mm×300 mm 層板孔隙率最大值與最小值相差僅0.2%左右；但是400 mm×600 mm 層板孔隙率最大與最小值相差近0.5%，即層板孔隙分布的均勻性差。這可能是由于固化時層板中間區(qū)域包埋或固化反應產(chǎn)生的氣體部分會受壓從層板周圍排出，而相較于小尺寸的層板，大尺寸的層板中間區(qū)域的氣體難以被壓出。同樣，層板固化前的預抽過程中，大尺寸層板中間區(qū)域的氣體相較于小尺寸層板也更難以被抽出。這樣就形成了大尺寸層板孔隙率區(qū)間大，同時孔隙率最大值也較大的原因。

圖4 不同尺寸層板孔隙率區(qū)間比較Fig.4 Comparison of porosity interval between laminates of different sizes

圖5為各尺寸層板的超聲C掃描圖，可以明顯看出，相較于小尺寸層板顏色深淺均勻交錯，孔隙均勻分布，大尺寸層板中間區(qū)域的顏色更深，顯示出類似于“回”字形的圖像分布，高孔隙率的區(qū)域相對集中分布在靠近層板中間位置，孔隙分布的均勻性差，這也與上述測定的數(shù)據(jù)保持了良好的一致性。

圖5 不同尺寸層板超聲C 掃描圖像Fig.5 Ultrasonic C-scan imagines of different size laminates

2.4 鋪絲壓緊力對層板孔隙率的影響

圖6為控制鋪放層板尺寸 （300 mm×500 mm）、采用相同厚度的鋪層 （均為B01 鋪層）、采用相同制造方式，通過改變自動鋪絲時壓輥的壓緊力，層板在不同固化壓力下的孔隙率區(qū)間比較。可見鋪絲時的壓緊力，即鋪貼時對鋪層的預壓情況，對層板孔隙率的影響十分顯著。首先，在固化壓力從600 kPa 降至400 kPa，層板的孔隙率始終保持在0，可見即使采用了很小的壓緊力，只要固化時施加的壓力足夠大，仍可以將層間的氣體有效地排出。與500 N 壓緊力的對照組相比，使用300 N 壓緊力鋪放出的層板，固化壓力降至350 kPa 和300 kPa 時，孔隙率并沒有表現(xiàn)出明顯的差異；但當固化壓力降低至250 kPa 時，300 N 壓緊力鋪放出的層板的孔隙率要明顯高于500 N 壓緊力鋪放出的層板，可見鋪絲壓緊力和固化壓力對于孔隙的產(chǎn)生并不是單獨的變量。自動鋪絲壓緊力較小時，層間和層內(nèi)容易包埋進較多的空氣，形成孔隙的原始核，但使用相對較大的固化壓力固化時，可以將這部分氣體有效排出，使得多出的殘余氣體并不足以形成相對應的多出的孔隙；但當固化壓力相對小時，固化壓力不足以使鋪貼時引入的多余空氣排出，層板的孔隙率會更高。當鋪絲壓緊力降至100 N 時，層板使用不同的固化壓力固化時孔隙率都明顯高于另外兩組；固化壓力降至300 kPa 時，層板的最大孔隙率已超過了2%的接收限，而固化壓力再降至250 kPa 時，整塊層板的孔隙率都已超過了2%，可見過小的鋪絲壓緊力不能使料層之間充分壓實，層間縫隙中夾雜進了大量的氣體等，在固化過程中固化壓力不夠高時氣體排出困難，導致了較多孔隙的產(chǎn)生。

圖6 不同鋪絲壓緊力B01 鋪層層板不同固化壓力下孔隙率Fig.6 Porosity of B01 laminates under different curing pressures

可見鋪絲壓緊力對層板孔隙率存在一定影響，對于大型復雜的復材結(jié)構(gòu)件來說，固化時零件不同位置會存在一定的壓力梯度，構(gòu)型復雜的區(qū)域可能存在欠壓等問題，僅靠提升固化壓力可能并不能使孔隙完全消除。在使用自動鋪絲工藝制造零件的過程中，要注意鋪絲參數(shù)對零件孔隙的影響，不宜采用過小的鋪絲壓緊力進行鋪放。

3 結(jié)論

（1）固化壓力對鋪絲層板孔隙率的產(chǎn)生有著決定性的影響，固化壓力降至某臨界點前，層板的孔隙率始終為0。繼續(xù)降低固化壓力，孔隙率呈現(xiàn)先快速增加又逐漸減慢增加的變化。

（2）固化壓力減小至相同值時，鋪放層數(shù)較多的層板孔隙率高于層數(shù)較少的層板，相比內(nèi)部的孔隙，接近層板上表面的孔隙氣體更容易被排出，靠近中間及底部鋪層位置的孔隙較多。

（3）鋪放尺寸較小的層板孔隙分布相對均勻。而尺寸較大的層板，高孔隙率的區(qū)域相對集中分布在靠近層板中間的位置，孔隙分布的均勻性相比較差。

（4）鋪絲壓緊力對層板孔隙率存在影響，固化壓力相對小時，不足以將使用較小壓緊力鋪絲時引入的多余空氣排出，層板的孔隙率更高，固化壓力越小時這一現(xiàn)象越為明顯。

（5）對于大型復雜的復材結(jié)構(gòu)件來說，不同的鋪絲工藝參數(shù)對孔隙率的影響也具有上述趨勢，在使用自動鋪絲工藝制造零件的過程中，要注意不同鋪絲參數(shù)對零件孔隙的影響。