碳纖維增強(qiáng)雙馬樹脂預(yù)浸料的固化變形影響

高愛娟，韓銘，陳麗春，李勇，田俊霞

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所，高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250023)

復(fù)合材料具有各向異性，復(fù)合材料制件在熱壓罐成型固化過程中會(huì)經(jīng)歷高溫固化成型過程和冷卻過程，在成型固化過程中，材料本身存在的熱脹冷縮效應(yīng)、樹脂內(nèi)部發(fā)生的交聯(lián)固化反應(yīng)、復(fù)合材料制件與模具間存在的熱膨脹系數(shù)的差異、模具內(nèi)部存在的熱傳導(dǎo)效率等，均會(huì)使復(fù)合材料制件的內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致復(fù)合材料制件固化后的翹曲變形。復(fù)合材料制件在室溫下的自由形狀發(fā)生翹曲變形，該現(xiàn)象與理想狀態(tài)存在一定的差異，通常將這種存在差異的狀態(tài)稱為制件的固化變形[1-4]。通常情況下，固化變形會(huì)導(dǎo)致裝配成本的升高、密封性差以及減重效率的降低等，從而影響復(fù)合材料制件的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、使用壽命和機(jī)體外形尺寸的控制，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料制件的報(bào)廢，甚至造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。

何靚等針對(duì)復(fù)合材料殘余應(yīng)力及固化變形機(jī)理開展相關(guān)研究，通過對(duì)固化工藝相關(guān)參數(shù)、模具補(bǔ)償?shù)纫蛩乜偨Y(jié)了層壓復(fù)合材料固化變形控制方法，以L型、R型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行了固化變形控制，在綜合考慮成型精度、效率及成本的前提下提出了相關(guān)改進(jìn)方案，為大型復(fù)合材料固化變形控制提供了相關(guān)理論基礎(chǔ)[5-8]。

筆者選用中航復(fù)合材料有限公司提供的ZT7H碳纖維/5429熱熔雙馬樹脂預(yù)浸料(ZT7H/5429預(yù)浸料)，其中5429熱熔雙馬樹脂符合Q/6S2157-2007要求，ZT7H碳纖維符合CBQB500-028國(guó)產(chǎn)碳纖維技術(shù)要求?；诙喑叨人枷?，筆者運(yùn)用試驗(yàn)與實(shí)際產(chǎn)品相結(jié)合的方法，使用ZT7H/5429預(yù)浸料制備層壓板和復(fù)合材料制件，并綜合描述了復(fù)合材料層壓板在固化過程中模具表面處理方式、鋪層角度、鋪層厚度以及鋪層尺寸等因素等對(duì)復(fù)合材料層壓板固化變形的影響，旨在為今后實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

預(yù)浸料：ZT7H碳纖維/5429熱熔雙馬樹脂預(yù)浸料(ZT7H/5429)，中航復(fù)合材料有限公司，其物理性能見表1。

表1 預(yù)浸料物理性能

1.2 主要儀器及設(shè)備

自動(dòng)下料機(jī)：Gerber DCS2500型，美國(guó)格柏科學(xué)有限公司；

平板模具：厚度15 mm，濟(jì)南標(biāo)美精密機(jī)械有限公司；

熱壓罐：?2 m×4 m，無(wú)錫市錦鎧鍋爐有限公司。

1.3 固化工藝

試驗(yàn)件平板的固化工藝參數(shù)：室溫下抽真空至真空度不小于0.095 MPa，以不高于3 ℃/min的升溫速率升溫至(100～150)℃，加壓(0.6～0.7) MPa；繼續(xù)升溫至(150±5)℃，保溫(0.5～1.5) h；繼續(xù)升溫至(180±5) ℃，保溫(2～3) h；保持壓力，繼續(xù)升溫至(200±5) ℃，保溫(4～5) h，然后自然降溫至60 ℃以下出熱壓罐。固化前檢查真空袋是否有泄露。

2 層壓板固化變形影響因素分析

采用ZT7H/5429預(yù)浸料，選用鋼質(zhì)模具，使用手工鋪貼預(yù)浸料，采用熱壓罐成型工藝成型樣品。

2.1 模具表面處理方式的影響

模具的導(dǎo)熱性能或其結(jié)構(gòu)形式等都會(huì)對(duì)復(fù)合材料層壓板的固化溫度場(chǎng)分布有一定的影響，而固化溫度場(chǎng)的分布情況會(huì)影響層壓板內(nèi)殘余應(yīng)力的分布以及應(yīng)力大小[8-10]。因此，模具是影響復(fù)合材料層壓板固化變形的主要因素之一。

使用之前，模具表面一般需要進(jìn)行特殊處理，通常采用涂抹脫模劑方法。但是模具不同的表面處理方式可能會(huì)對(duì)層壓板的固化變形現(xiàn)象有一定的影響，因此選定厚度為1 mm的復(fù)合材料層壓板，用不同表面處理時(shí)制件鋪層角度及尺寸見表2。

表2 不同表面處理方式時(shí)制件鋪層角度及尺寸

2.2 鋪層角度的影響

一般情況下，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的各向異性主要是由纖維和樹脂間的線膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致的[11]。因此，層壓板的鋪層方式?jīng)Q定著層壓板內(nèi)部各方向的熱膨脹系數(shù)，非對(duì)稱鋪層試樣的各層之間將產(chǎn)生熱變形不匹配，從而引發(fā)復(fù)合材料層壓板的翹曲變形。因此，層間熱變形不一致也是影響復(fù)合材料層壓板固化變形的主要因素之一。

選定厚度為1 mm的復(fù)合材料層壓板，鋪層相同但鋪層角度不同時(shí)制件的尺寸數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同鋪層角度時(shí)制件尺寸

2.3 厚度的影響

一般情況下，固化變形量會(huì)隨著平板厚度的增加而降低，因此，探究了平板厚度對(duì)固化變形量的影響，表4為三種不同厚度(1，2，3 mm)時(shí)層壓板鋪層角度及尺寸。

表4 不同鋪層厚度時(shí)制件鋪層角度及尺寸

2.4 鋪層尺寸的影響

復(fù)合材料制件的尺寸是影響固化變形的重要因素之一。當(dāng)層壓板長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，其固化變形表現(xiàn)為截面回彈和長(zhǎng)度翹曲兩種因素疊加的結(jié)果[12]，通常來說，層壓板尺寸越大且越規(guī)整，固化變形量更小。表5為固定厚度為1 mm，復(fù)合材料層壓板選用不同鋪層尺寸時(shí)的鋪層角度。

表5 不同層壓板尺寸時(shí)制件鋪層角度

3 層壓板固化變形影響因素的結(jié)果與分析

復(fù)合材料層壓板固化結(jié)束后，每隔50 mm取一個(gè)網(wǎng)格，使用測(cè)厚平臺(tái)測(cè)試層壓板的每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在自由狀態(tài)下的厚度和固化后的實(shí)際厚度，并計(jì)算層壓板的變形量。

3.1 模具表面處理方式對(duì)固化變形的影響

圖1為不同表面處理方式時(shí)復(fù)合材料制件的變形量。圖1的數(shù)據(jù)說明，對(duì)模具進(jìn)行不同的表面處理對(duì)層壓板的固化變形是有顯著影響的。僅采用脫模劑進(jìn)行處理時(shí)，層壓板的翹曲量明顯高于其他四種的處理方式，上述數(shù)據(jù)也表明僅采用脫模劑處理時(shí)，模具面內(nèi)作用最為顯著，該現(xiàn)象與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致[13]。采用脫模劑加脫模布、隔離膜對(duì)模具表面進(jìn)行處理時(shí)，固化過程中模具的作用力基本是恒定的而且滑移作用最小。采用脫模劑加撕離布對(duì)模具表面進(jìn)行處理時(shí)，此時(shí)層壓板的變形量較僅采用脫模劑時(shí)低，較其余三種處理高，可能是由于撕離布被撕除后，層壓板表面的樹脂層復(fù)制了撕離布的紋理，并在撕離布的經(jīng)緯度交叉處所對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料層壓板表面形成了凸起和凹陷，從而影響復(fù)合材料表面的平整度[14]。采用脫模劑加防滑條對(duì)模具表面進(jìn)行處理時(shí)，層壓板的變形量最低，效果最優(yōu)越，說明防滑條在層壓板固化時(shí)可能會(huì)提高模具的粗糙度，在固化變形時(shí)起到了拉拽預(yù)浸料的作用，從而減少了層壓板固化后的變形量。

圖1 不同表面處理方式時(shí)制件的變形量

因此，可通過對(duì)模具表面進(jìn)行處理來減少制件的固化變形量。

3.2 鋪層角度對(duì)固化變形的影響

2-2-1，2-2-2，2-2-3層壓板屬于準(zhǔn)各向同性鋪層，當(dāng)90°鋪層位于貼模面時(shí)(2-2-3)層壓板的最終變形量與45°鋪層的變形量(2-2-2)相差不大，當(dāng)0°鋪層位于貼模面時(shí)(2-2-1)層壓板的最終變形量最小，這是因?yàn)楫?dāng)0°鋪層位于貼模面時(shí)，能夠增加層壓板沿0°方向上的彎曲剛度[4，15]。該結(jié)果會(huì)使層壓板在降溫過程中受模具熱膨脹系數(shù)的影響減小，即提高了層壓板抵抗0°方向上固化變形的能力，試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

圖2為非對(duì)稱鋪層平板的翹曲變形照片。非對(duì)稱鋪層層壓板固化后脫模，試樣翹曲明顯(2-2-4和2-2-5)，如圖2所示。將層壓板平放在平板模具上，使用高度尺多次測(cè)量層壓板隆起的高度，多次測(cè)量并取平均值。這是因?yàn)?-2-4和2-2-5層壓板鋪層不對(duì)稱，使復(fù)合材料層壓板的剛度矩陣出現(xiàn)了壓彎耦合的剛度矩陣，從而使層壓板內(nèi)部不對(duì)稱性程度加劇，固化后變形量明顯增加。不同鋪層角度時(shí)制件的變形量示意圖見圖3。采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以有效地降低層壓板的收縮與固化變形。

圖2 非對(duì)稱鋪層平板的翹曲變形

圖3 不同鋪層角度時(shí)制件的變形量

3.3 鋪層厚度對(duì)固化變形的影響

圖4為不同鋪層厚度時(shí)制件的變形量。由圖4可知，在不考慮模具作用時(shí)，層壓板的固化平均變形量隨著平板厚度的增加而降低。對(duì)于遵循對(duì)稱鋪層準(zhǔn)則的層壓板來說，該現(xiàn)象是由于隨著層壓板厚度的增加，平板的抗彎剛度和結(jié)構(gòu)剛度逐漸增加，平板抵抗變形的能力也不斷提高，樹脂分布不均勻和模具作用對(duì)層壓板形狀的影響作用越小，復(fù)合材料制件固化完成后內(nèi)部的殘余應(yīng)力及應(yīng)變也會(huì)變小，從而使得復(fù)合材料層壓板固化變形量顯著降低[15-16]。理論及試驗(yàn)結(jié)果均表明薄板比厚板更容易發(fā)生固化變形現(xiàn)象。

圖4 不同鋪層厚度時(shí)制件的變形量

3.4 鋪層尺寸對(duì)固化變形的影響

表6為不同鋪層尺寸及角度時(shí)制件的變形量。由理論分析以及試驗(yàn)結(jié)果可知，層壓板翹曲程度與長(zhǎng)度呈線性關(guān)系，長(zhǎng)方形的層壓板變形量稍大于正方形的層壓板，而且長(zhǎng)寬比越大，變形量越大。這是因?yàn)檎叫蔚膶訅喊迨芰^長(zhǎng)方形的層壓板來說，受到的平均應(yīng)力小，因此固化后變形量小。

表6 不同鋪層尺寸及角度時(shí)制件的變形量

4 產(chǎn)品固化變形的結(jié)果與分析

某制件使用ZT7H/5429碳纖維增強(qiáng)雙馬樹脂預(yù)浸料進(jìn)行成型。當(dāng)采用對(duì)稱鋪層方式時(shí)([45/0/-45/90/90/-45/0/45])，制件固化后變形量較小，見圖5。而采用非對(duì)稱鋪層時(shí)([-45/0/-45/90/90/-45/0/45])，隨著制件長(zhǎng)度的增加，固化變形量逐漸增加，甚至出現(xiàn)扭曲變形的情況，見圖6，這與層壓板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。這是由于采用非對(duì)稱鋪層時(shí)，制件內(nèi)部各方向的熱膨脹系數(shù)不同，從而導(dǎo)致鋪層之間產(chǎn)生相互作用，層間也會(huì)產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力，最終導(dǎo)致復(fù)合材料制件固化變形現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖5 采用對(duì)稱鋪層方式時(shí)制件固化后示意圖

圖6 采用非對(duì)稱鋪層方式時(shí)制件固化后變形示意圖

5 結(jié)論

針對(duì)ZT7H/5429預(yù)浸料，分析并探究了影響復(fù)合材料層壓板固化變形的影響因素，影響層壓板固化變形的因素有很多，而且各種因素之間可能會(huì)存在疊加或者協(xié)同效應(yīng)，從而導(dǎo)致復(fù)合材料層壓板的變形。

(1) 僅采用脫模劑對(duì)模具進(jìn)行表面處理時(shí)，層壓板變形量最大；采用脫模劑加防滑條對(duì)模具進(jìn)行表面處理時(shí)，層壓板變形量最??；其他幾種表面處理方式均對(duì)變形量有一定的改善。因此，可通過對(duì)模具表面進(jìn)行處理來減少固化變形。

(2) 層壓板采用對(duì)稱鋪層時(shí)變形量較小，采用非對(duì)稱鋪層時(shí)，固化后變形量明顯增加。因此，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)可有效地降低層壓板的收縮與固化變形。

(3) 隨著層壓板厚度的增加，平板的抗彎剛度和結(jié)構(gòu)剛度逐漸增加，平板抵抗變形的能力也不斷提高，因此，固化變形量隨層壓板厚度的增加而減小。

(4) 長(zhǎng)寬比越大，層壓板固化后變形量越大，因此，鋪層尺寸越規(guī)整，層壓板固化變形量越小。