復(fù)合材料夾芯板蜂窩芯格流膠缺陷行為研究

盧政斌 張麗薇 徐霆耀 楊賽格

摘 要 蜂窩芯格內(nèi)部流膠是一種隨機(jī)性較強(qiáng)且常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法難以準(zhǔn)確判斷的故障類型，通常歸為無(wú)損異常缺陷，但破壞后的故障狀態(tài)又明顯異于常規(guī)的結(jié)構(gòu)性缺陷，因此，本文通過(guò)熱壓罐共固化成型工藝制備鋁蜂窩夾芯玻璃纖維環(huán)氧預(yù)浸料復(fù)合材料夾芯板，研究了蜂窩芯格內(nèi)部流膠缺陷的形成機(jī)理及其在各種檢測(cè)狀態(tài)的故障表現(xiàn)。研究結(jié)果可有效指導(dǎo)蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料夾芯板流膠缺陷的處置和過(guò)程控制，具有重要科研與實(shí)踐價(jià)值。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；熱壓罐；蜂窩；流膠；缺陷

ABSTRACT The resin flow inside the honeycomb core is a kind of fault type with strong randomness and difficult to be accurately judged by conventional non-destructive testing methods. It is usually classified as non-destructive abnormal defects， but the fault state after destruction is obviously abnormal. Therefore， this paper uses the autoclave co-curing process to prepare the aluminum honeycomb sandwich glass fiber epoxy prepreg composite sandwich panel. Study the formation mechanism of resin flow defect in honeycomb core and its fault performance in various detection states. The research results can effectively guide the disposal and process control of resin flow defects in honeycomb sandwich panels， and have important scientific research and practical value.

KEYWORDS composite; autoclave; core; resin-flow; failure

1 引言

近年來(lái)，隨著復(fù)合材料關(guān)鍵成型技術(shù)的突破，復(fù)合材料零件的過(guò)程質(zhì)量控制也已成為業(yè)內(nèi)廣大學(xué)者的關(guān)注重點(diǎn)。目前，對(duì)于復(fù)合材料零件的制造過(guò)程控制主要集中在熱場(chǎng)均勻性控制[1，2]、固化變形[3]、界面質(zhì)量[4]以及機(jī)械加工損傷[5]等方面。

在復(fù)合材料零件實(shí)際的制造過(guò)程中，對(duì)于蜂窩夾芯壁板，蜂窩芯格內(nèi)部流膠一種隨機(jī)性較強(qiáng)且常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法難以準(zhǔn)確判斷的故障類型，一般僅能在無(wú)損結(jié)果異常判定后，通過(guò)不可逆的破壞性方式確認(rèn)故障形式，且因?yàn)殡S機(jī)性較強(qiáng)、故障樣本少，對(duì)其成型機(jī)理的分析和預(yù)防十分困難。本文所述的蜂窩芯格流膠不包含板-芯膠接區(qū)膠瘤[6]及面板樹(shù)脂對(duì)芯材的過(guò)渡浸潤(rùn)，面板樹(shù)脂對(duì)芯材的過(guò)度浸潤(rùn)故障通常不會(huì)導(dǎo)致明顯的無(wú)損檢測(cè)異常，且在確定材料牌號(hào)及工藝參數(shù)后通常不會(huì)出現(xiàn)；本文所述芯格流膠故障是指一定區(qū)域內(nèi)蜂窩芯格內(nèi)部被疏松的孔隙樹(shù)脂大量填充的故障狀態(tài)，多發(fā)生于蜂窩邊緣，因?yàn)榕菽Y(jié)構(gòu)或蜂窩壁屈曲對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)衰減，通常會(huì)伴隨強(qiáng)烈的無(wú)損檢測(cè)異常，對(duì)于該類故障目前沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的定義以及定性定量的影響分析，通常用分層、外來(lái)物等嚴(yán)重故障類比進(jìn)行處置，容易導(dǎo)致不必要的產(chǎn)品返修或產(chǎn)品報(bào)廢。

常見(jiàn)的蜂窩結(jié)構(gòu)變形主要包含蜂窩屈曲、芯格撕裂、節(jié)點(diǎn)分離、表面凹陷等，一般航空制造規(guī)范中會(huì)對(duì)上述蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷的接受限、返工限及拒收限作出明確的界限定義，以保證復(fù)合材料夾芯板制造過(guò)程的有效質(zhì)控，但是對(duì)于蜂窩邊緣芯格堆疊、芯格壁未破損倒伏等可恢復(fù)性變形缺陷未做明確的界限區(qū)分及權(quán)限控制，以某總體單位的過(guò)程規(guī)范為例，對(duì)于蜂窩邊緣芯格堆疊僅要求使用鑷子小心的恢復(fù)原有芯格結(jié)構(gòu)特征及邊界外形即可，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于該類故障也以修復(fù)后的狀態(tài)檢查為最終結(jié)論。

以某型飛機(jī)尾翼壁板為研究對(duì)象，該壁板零件為玻纖環(huán)氧預(yù)浸料/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，該型飛機(jī)在設(shè)計(jì)之初為考慮減重，取消了傳統(tǒng)構(gòu)型中蜂窩上下面板的整鋪層膠膜，僅保留下面板部分條帶狀膠膜用于蜂窩穩(wěn)定，固化過(guò)程中主要依靠預(yù)浸料中的自浸漬樹(shù)脂完成對(duì)蜂窩芯材的黏附浸潤(rùn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，統(tǒng)計(jì)了362項(xiàng)該構(gòu)型零件的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其中有蜂窩芯格流膠故障6項(xiàng)，故障發(fā)生率在1.6%左右，流膠故障面積在1平方英寸～4平方英寸不等，該區(qū)域在使用超聲C掃描進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)探查時(shí)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的聲波衰減，將該故障提交工程部門評(píng)估，解答反饋中約40%為去層修補(bǔ)，約60%為產(chǎn)品報(bào)廢，處置方案與同尺寸的分層缺陷及外來(lái)物缺陷類似。

蜂窩材料面外壓縮強(qiáng)度很高，而側(cè)向強(qiáng)度較低[7]，尤其是蜂窩導(dǎo)角區(qū)域邊緣在實(shí)際運(yùn)輸、加工、存貯過(guò)程中，蜂窩零件倒角邊緣產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)損傷性變形是較為常見(jiàn)的。本文針對(duì)該類故障的形成機(jī)制進(jìn)行了初步的分析，探討了蜂窩芯格結(jié)構(gòu)變形與蜂窩芯格流膠缺陷的關(guān)聯(lián)影響及作用形式，同時(shí)對(duì)蜂窩芯格流膠缺陷對(duì)膠接質(zhì)量的影響進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，這對(duì)于蜂窩夾芯零件的成型質(zhì)量控制及故障零件處置方法具有實(shí)際指導(dǎo)意義及參考價(jià)值。

2 試驗(yàn)方法

2.1 原材料

試驗(yàn)材料如表1所示，包括：玻璃纖維預(yù)浸料、鋁蜂窩。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)鋁蜂窩邊緣進(jìn)行芯格壁卷曲、芯格結(jié)構(gòu)倒伏堆疊等常見(jiàn)蜂窩邊緣損傷故障模擬，故障狀態(tài)如圖1所示。

（1）故障a：深度9.5mm，長(zhǎng)度54.5mm，故障狀態(tài)為芯格卷曲及倒伏堆疊變形；

（2）故障b：深度5.5mm，長(zhǎng)度15.5mm，故障狀態(tài)為芯格堆疊變形。

使用鑷子對(duì)模擬的蜂窩芯格故障進(jìn)行狀態(tài)修復(fù)并進(jìn)行位置標(biāo)記，修復(fù)后蜂窩按工藝規(guī)范進(jìn)行蜂窩最終狀態(tài)及外觀質(zhì)量檢查，最終狀態(tài)符合制造規(guī)范要求。

使用手工鋪層方法鋪疊成型，鋪層結(jié)構(gòu)為（45°/0°/0°/45°/45°/0°）S，采用真空袋熱壓罐法完成制件最終固化，固化工藝選擇127℃保溫2小時(shí)，全程加壓300Kpa，真空袋內(nèi)通大氣。

3 結(jié)果與討論

對(duì)固化后的零件進(jìn)行外觀檢查、敲擊檢查、背光檢查及C掃檢測(cè)，C掃描檢測(cè)設(shè)備為：USL LND-1型，并對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行破壞試驗(yàn)，對(duì)典型故障區(qū)域的破壞試樣進(jìn)行光學(xué)顯微鏡界面檢查。

固化后零件外觀狀態(tài)平整均一，夾芯板蜂窩倒角區(qū)域圓滑過(guò)渡，零件表面無(wú)凹坑、印痕、蜂窩邊緣塌陷等外觀質(zhì)量問(wèn)題，零件外觀狀態(tài)如圖2所示。

對(duì)故障區(qū)域補(bǔ)充背光檢查及敲擊檢測(cè)，背光檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，在圖中可以明顯看到故障區(qū)域的蜂窩芯格內(nèi)存在樹(shù)脂色背光陰影。圖3（a）為正常區(qū)域背光檢查狀態(tài)，圖3（b）為故障區(qū)域背光檢查狀態(tài)，圖3（b）中蜂窩芯格結(jié)構(gòu)完整，無(wú)側(cè)向芯格壓縮特征，芯格內(nèi)膠液填充狀態(tài)明顯、清晰。敲擊檢測(cè)過(guò)程中，故障區(qū)域的敲擊聲音沉悶，非故障區(qū)敲擊聲音清亮。

對(duì)蜂窩邊緣區(qū)域的層板區(qū)厚度進(jìn)行了厚度測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)位選取如圖4所示，層板區(qū)以蜂窩邊緣為起點(diǎn)，向外每間隔5mm線性設(shè)點(diǎn)，圖4（a）為正常區(qū)域臨近層板，圖4（b）為故障區(qū)域臨近層板。

測(cè)量厚度值如圖5所示，其中圖5（a）為故障區(qū)層板厚度與正常區(qū)層板厚度對(duì)比，在圖中可明顯看出故障區(qū)層板厚度整體小于正常區(qū)層板厚度，且二者的層板厚度沿層板邊緣的切向變化趨勢(shì)相對(duì)一致，差值相對(duì)恒定，圖5（b）為分別選取故障區(qū)與正常區(qū)的一條厚度代表曲線進(jìn)行對(duì)比，從圖中厚度數(shù)值的變化可以看出，故障區(qū)域邊緣的層板厚度相較正常區(qū)域?qū)影搴穸茸畲筇幈×?.149mm左右。通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)比，相較正常芯格邊緣層板，故障區(qū)域的臨近層板內(nèi)樹(shù)脂存在大量流動(dòng)性遷移損失。

圖6為試驗(yàn)件C掃描檢測(cè)圖像，其中預(yù)制b缺陷C掃描檢測(cè)正常，無(wú)異常反應(yīng)，預(yù)制a缺陷的蜂窩缺陷模擬區(qū)域出現(xiàn)了明顯的C掃描超聲衰減區(qū)，且缺陷范圍與預(yù)制缺陷尺寸相當(dāng)，C掃檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，C掃描故障描述聲波衰減為? 22.4dB。對(duì)比預(yù)制的b缺陷及未損傷區(qū)域，可知恢復(fù)外形后的蜂窩芯格壓縮變形缺陷不會(huì)導(dǎo)致蜂窩流膠故障，且與變形缺陷尺寸無(wú)關(guān)聯(lián)影響；對(duì)比預(yù)制的a缺陷及b缺陷區(qū)域，可知蜂窩芯格壁屈曲變形與蜂窩芯格流膠之間具有關(guān)聯(lián)性，且故障狀態(tài)基本無(wú)法因后續(xù)的結(jié)構(gòu)外形恢復(fù)工作而得到改善，另外，當(dāng)發(fā)生芯格屈曲倒伏變形時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)外形仍可恢復(fù)，但同芯格壁堆疊變形不同的是，此時(shí)鋁合金蜂窩的結(jié)構(gòu)剛度、疲勞強(qiáng)度受到了很大的衰減。

對(duì)所有的C掃描缺陷區(qū)進(jìn)行了破壞試驗(yàn)，主要考察了故障區(qū)域的截面狀態(tài)差異及膠接界面狀態(tài)差異，夾芯板截面狀態(tài)差異如圖7所示，圖7（a） 為正常區(qū)域截面狀態(tài)，圖7（b） 為故障區(qū)域截面狀態(tài)。對(duì)比圖7（a）與圖7（b）故障區(qū)域與正常區(qū)域的夾芯板截面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障區(qū)域的芯格內(nèi)有大量樹(shù)脂填充，樹(shù)脂富含大量孔隙及空腔，結(jié)合圖5中的層板厚度變化差異，基本可判斷出故障區(qū)域的填充樹(shù)脂來(lái)源于臨近的層板區(qū)，固化過(guò)程中，層板區(qū)域受到的熱壓罐固化壓力由纖維及樹(shù)脂共同承擔(dān)，樹(shù)脂靜壓力較大，而夾芯板區(qū)域，僅芯格壁接觸區(qū)域承載了熱壓罐的固化壓力，芯格內(nèi)部區(qū)域的面板樹(shù)脂僅承受芯格內(nèi)的內(nèi)部氣壓，該區(qū)域的樹(shù)脂靜壓相對(duì)較小，正常芯格完好的情況下，芯格內(nèi)部具有良好的氣密結(jié)構(gòu)，芯格之間、芯格與層板過(guò)渡之間沒(méi)有有效的氣路及樹(shù)脂流動(dòng)通路，彼此形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，但當(dāng)這種密閉結(jié)構(gòu)因芯格壁發(fā)生變形、損傷或疲勞時(shí)，氣密結(jié)構(gòu)易被破壞，層板區(qū)樹(shù)脂在不同區(qū)域樹(shù)脂靜壓差的驅(qū)動(dòng)下，向蜂窩區(qū)域發(fā)生面內(nèi)樹(shù)脂流動(dòng)，并沿芯格壁填充蜂窩芯格腔包，因芯格內(nèi)樹(shù)脂靜壓低，填充樹(shù)脂內(nèi)部揮發(fā)分及交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生的小分子物質(zhì)成核擴(kuò)展形成孔隙，同時(shí)芯格內(nèi)原有氣體受熱膨脹與填充樹(shù)脂裹挾在一起，形成了疏松的孔隙樹(shù)脂狀態(tài)。

對(duì)破壞試驗(yàn)的典型試樣進(jìn)行金相測(cè)試，膠接界面狀態(tài)差異如圖8所示，其中圖8（a）為故障區(qū)域芯格壁與預(yù)浸料層板接觸的典型狀態(tài)，芯格壁與層板接觸緊密，膠接區(qū)域的層間無(wú)分層、孔隙等缺陷特征，但是在個(gè)別試樣中芯格壁頂端存在有明顯卷曲變形的結(jié)構(gòu)特征，圖8（b）為正常區(qū)域芯格壁與預(yù)浸料層板接觸的狀態(tài)，芯格壁基本保持原有的垂直結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）芯格壁頂端卷曲或芯格疲勞性堆疊損傷是夾芯板邊緣蜂窩芯格內(nèi)部流膠故障產(chǎn)生的根本原因，芯格內(nèi)樹(shù)脂來(lái)源于臨近層板區(qū)樹(shù)脂的面內(nèi)流動(dòng)，非疲勞性堆疊損傷的可恢復(fù)性芯格變形不會(huì)導(dǎo)致蜂窩芯格內(nèi)部流膠，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)制定具備不同程度蜂窩邊緣變形檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)控規(guī)范，及嚴(yán)格的蜂窩周轉(zhuǎn)防護(hù)措施及設(shè)備，防止嚴(yán)重的蜂窩損傷及異常故障的出現(xiàn)。

（2）蜂窩流膠故障雖然會(huì)導(dǎo)致C掃面檢測(cè)異常，但是蜂窩流膠對(duì)夾芯板膠接質(zhì)量并無(wú)明顯影響，膠接區(qū)域未見(jiàn)缺陷特征出現(xiàn)，層間粘接強(qiáng)度待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定。

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