熱壓工藝參數(shù)對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)浸潤性的影響

王宇豪， 崔 旭

（沈陽航空航天大學(xué)民用航空學(xué)院， 遼寧 沈陽 110000）

0 引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由上、下兩層高強(qiáng)度面板和中間的蜂窩芯通過黏合劑膠接而成，由于其兼具質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛性大的特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1-2]。因此國內(nèi)外對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)工藝、浸潤性、失效模式等角度展開了廣泛的研究[3-6]。武海生等詳細(xì)闡述了基于膠膜熱破的新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型施膠工藝，能夠有效提高夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、穩(wěn)定性以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)效率[7]。Julien Rion 等通過試驗(yàn)測量預(yù)測了樹脂對蜂窩壁浸潤形成的彎月面的形狀，并建立了基于接觸角來預(yù)測彎月面的形狀和大小的數(shù)學(xué)模型[8]。

目前常用于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的成型方法主要有膠接成型、共固化成型兩種[9]。其中共固化成型常用于制造復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)，且工藝簡單、制造成本低，但蜂窩表面質(zhì)量較差、生產(chǎn)過程難以控制[10]；而膠接成型雖然制造成本較高，制造周期長，但表面質(zhì)量好，且成品性能更好把控，適用于制作飛機(jī)蒙皮等表面要求高或形狀復(fù)雜的制件[11]。對于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)加工成型工藝的研究，不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期，也會對飛機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)產(chǎn)生推動作用，具有重要意義。

本文主要通過觀測樹脂對蜂窩壁的浸潤效果及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的剝離強(qiáng)度，研究熱壓工藝參數(shù)對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)浸潤性能及強(qiáng)度的影響。

1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)浸潤現(xiàn)象

在制作蜂窩夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，往往會在蜂窩壁兩端靠近面板的一側(cè)產(chǎn)生樹脂膠對蜂窩壁的浸潤現(xiàn)象，對于蜂窩兩端的樹脂膠液來說，樹脂膠分子由于熱量傳遞而獲得了更大的動能，變得非?；钴S，且膠流分子間作用力減小，黏度減小，流動性增加。膠流在附著層處的膠流分子與膠流內(nèi)部分子在受力上存在不同，膠流內(nèi)部分子只是受到膠流分子的引力作用，相互對稱抵消；而附著層處膠流分子既受膠流分子的引力又受到固體分子的引力，受力不平衡，當(dāng)附著力大于內(nèi)聚力時(shí)，膠流才會沿壁爬升，如圖1 所示。

圖1 附著層膠流分子所受附著力大于膠流分子間的內(nèi)聚力

由于樹脂膠對鋁材具有浸潤性，固體分子引力大于液體分子引力，附著層處膠流分子所受合力垂直于固- 液界面指向固體，具有大于膠流內(nèi)部分子的引力，故有著更小的分子間勢能。如圖2 所示由勢能最小原理可得，膠流內(nèi)部分子有趨于附著層處分子的趨勢，從而附著層有擴(kuò)展趨勢。

圖2 分子進(jìn)入勢能較低的附著層促使附著層擴(kuò)展爬升

另外，從分子間斥力的角度考慮，附著層內(nèi)分子相比流體內(nèi)分子受到的固體分子的吸引更強(qiáng)，附著層里的分子就比液體內(nèi)部密，附著層內(nèi)分子間的距離小于流體內(nèi)部分子間的距離，在附著層里就出現(xiàn)流體分子相互排斥的力，此時(shí)與固體接觸的附著層有擴(kuò)展的趨勢，就會產(chǎn)生浸潤現(xiàn)象，如圖3 所示。隨著附著層的擴(kuò)展，分子間距拉大，再次達(dá)到平衡。

圖3 分子間斥力促使附著層擴(kuò)展

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料及儀器

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由兩側(cè)蒙皮及中間蜂窩芯組成，蒙皮材料采用碳纖維層合板，蜂窩芯采用輕質(zhì)鋁材，作為黏合劑的膠膜采用SJ-2A 環(huán)氧樹脂膠膜。整體結(jié)構(gòu)尺寸如圖4 所示。

圖4 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)過程

1）裁剪及清洗：使用切割機(jī)將碳纖維板切割成相應(yīng)大小，用剪刀將膠膜裁剪成合適大小，尺寸如圖4所示。用酒精擦拭合頁表面，并用清水沖洗面板、蜂窩及合頁。

2）熱壓成型：將裁剪好膠膜分別對齊貼在碳纖維板一側(cè)，按照順序?qū)蓚?cè)碳纖維板與鋁蜂窩疊放并放入熱壓機(jī)中無壓力狀態(tài)下以20～35 ℃/h 的速度升溫至加壓點(diǎn)，對蜂窩均勻施加0.05 MPa 壓力并保持以相同的升溫速率繼續(xù)升溫直至溫度到達(dá)180 ℃，固化3～4 h 后，自然冷卻降溫直至40 ℃，成型后的蜂窩如圖5 所示。

圖5 鋁蜂窩夾層示意圖

3）強(qiáng)度測試：將E51 環(huán)氧樹脂與聚酰胺固化劑650 以2∶1 的比例混合充分?jǐn)嚢韬笸磕ㄔ诤享撋橡そ釉诜涓C一端兩側(cè)，170 ℃固化2 h。冷卻后用YHS-WE-300B-1 萬能試驗(yàn)機(jī)測試其剝離強(qiáng)度。

4）觀察爬升高度：在蜂窩剝離后裁剪蜂窩兩側(cè)與膠膜相接部分，通過掃描電鏡觀察樹脂在鋁蜂窩上的痕跡，確定爬升高度。

5）設(shè)置8 組試驗(yàn)，分別采取20 ℃/h、35 ℃/h 的升溫速率，持續(xù)3 h、4 h 的保溫時(shí)間，在100 ℃、120 ℃時(shí)施加壓力的方案，如表1 所示。

表1 不同的工藝參數(shù)下膠膜浸潤效果考察

6）將4 層膠膜上下堆疊成片狀，尺寸為10 mm×35 mm×2 mm，真空恒溫箱180 ℃固化3 h 后如圖6所示。用動態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）測量膠膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，如圖7 所示。從圖7 儲存模量曲線中可以看到，環(huán)氧樹脂膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為115.5 ℃。當(dāng)溫度大于115 ℃時(shí)，膠膜呈現(xiàn)高彈態(tài)，此時(shí)分子鏈段開始移動，膠膜流動性增強(qiáng)。

圖6 環(huán)氧膠膜

圖7 測試膠膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

3 結(jié)果討論

3.1 過程分析

對于鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，熱壓過程中，隨著溫度的升高，膠膜中分子的流動性增強(qiáng)，膠膜中分子受到分子間作用力影響沿壁爬升，隨著溫度的增加，膠流分子間作用力減小，爬升高度繼續(xù)增加。圖8 展示的是蜂窩處于加壓勻速升溫狀態(tài)下，處于不同溫度時(shí)的膠液爬升高度。由圖8 可以看到，當(dāng)溫度從110 ℃提升到130 ℃再到150 ℃時(shí)，爬升高度在逐漸增加；而當(dāng)溫度升高到一定程度，爬升速率逐漸減緩，同時(shí)由于膠液表面張力也隨溫度的增加而變大，最終使得爬升高度反而開始下降，最終達(dá)成動態(tài)平衡；而當(dāng)溫度進(jìn)一步提升到170 ℃時(shí)，爬升高度反而大幅下降，與溫度的增加呈現(xiàn)一個(gè)相反的變化趨勢。

圖8 不同溫度下膠膜在鋁箔上的爬升高度

所以膠液爬升高度在整個(gè)熱壓過程中隨著溫度的增加而呈現(xiàn)一個(gè)先上升后下降最終穩(wěn)定的變化趨勢，如圖9 所示。

圖9 不同溫度下膠膜在鋁箔上的爬升高度

3.2 工藝參數(shù)的影響

采用不同工藝后環(huán)氧樹脂在鋁蜂窩壁上的爬升高度如圖10 所示，可以看到采用35 ℃/h 的升溫速率，膠膜的爬升高度普遍低于采用20 ℃/h 的升溫速率下的結(jié)果，平均下降了8.2%，表明較高的升溫速率使環(huán)氧樹脂膠對于鋁蜂窩壁的浸潤效果相較于較低的升溫速率而言更差。當(dāng)溫度達(dá)到環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以后，環(huán)氧樹脂的分子鏈段開始產(chǎn)生移動，表現(xiàn)出流動性增強(qiáng)的特點(diǎn)，此時(shí)對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)施加一定壓力使蜂窩與膠膜接觸更加充分從而加強(qiáng)膠對鋁蜂窩壁的浸潤效果；而升溫速率過快會導(dǎo)致環(huán)氧樹脂膠過快凝膠，使環(huán)氧樹脂膠無法充分發(fā)揮其對鋁材的浸潤性，導(dǎo)致爬升高度較低。對于保溫時(shí)間，保溫4 h相較于保溫3 h 最終得到的爬升高度提升了平均4.9%，其影響的主要是環(huán)氧樹脂凝膠這一階段，說明適當(dāng)提高保溫時(shí)間能使環(huán)氧樹脂凝膠更加充分，從而充分發(fā)揮其浸潤性。對于加壓溫度，在100 ℃加壓比在120 ℃加壓得到的爬升高度平均提高了6.0%，環(huán)氧樹脂對蜂窩具有更好的浸潤效果。由于環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為115 ℃，在100 ℃加壓能自環(huán)氧樹脂分子鏈段開始運(yùn)動之初就使膠膜與蜂窩充分接觸，相較120 ℃加壓具有更長的浸潤時(shí)間，所以具有更好的浸潤效果。

圖10 不同工藝參數(shù)下膠膜爬升高度

而對于蜂窩結(jié)構(gòu)的剝離強(qiáng)度來說，如圖11 所示。從圖11 可以看出，兩種升溫速率下采用不同的保溫時(shí)間和加壓溫度蜂窩夾層剝離強(qiáng)度平均分別下降了3.5%、2.3%，幅度較小。而相對應(yīng)，改變升溫速率卻使得蜂窩夾層剝離強(qiáng)度下降了9.7%，可以發(fā)現(xiàn)升溫速率對剝離強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于保溫時(shí)間和加壓溫度。表明環(huán)氧樹脂膠從流動直到凝膠的過程，對于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的剝離強(qiáng)度有很大的影響。而由于鋁材表面在微觀視角下存在許多缺陷，熱壓過程中，隨著溫度的升高，靠近蜂窩壁一側(cè)的膠流分子受到來自鋁箔分子的分子間作用力吸引填充到鋁箔表面缺陷中的過程可以近似看成是一種機(jī)械鉚合的現(xiàn)象，快速升溫可能降低了膠與鋁蜂窩壁的鉚合強(qiáng)度。而在較低的溫度進(jìn)行加壓，雖然增加了壓力作用的時(shí)間，但是在到達(dá)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之前，環(huán)氧樹脂膠的流動性很差，所以相對來說影響較小。對于保溫時(shí)間來說，過長或過短都會對膠膜的固化度產(chǎn)生較大影響，而從試驗(yàn)的結(jié)果上來看，保溫3～4 h 能夠很好地完成環(huán)氧樹脂膠膜的固化。

圖11 不同工藝參數(shù)下蜂窩剝離強(qiáng)度

對比圖10、圖11 的結(jié)果，較低的升溫速率不僅能改善樹脂對蜂窩的浸潤性，還能有效提高蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的剝離強(qiáng)度，而較高的保溫時(shí)間和提前加壓雖然也能一定程度上改善樹脂對蜂窩的浸潤性，但對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的剝離強(qiáng)度影響較小。

4 結(jié)論

分析研究了樹脂對蜂窩結(jié)構(gòu)浸潤性的機(jī)理，通過試驗(yàn)觀測并分析了固化工藝參數(shù)對膠接蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合試驗(yàn)和理論分析得到以下結(jié)論：

1）在熱壓法制作蜂窩夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，環(huán)氧樹脂在蜂窩壁上的爬升高度隨著溫度的提高呈現(xiàn)一個(gè)先快速上升然后回落最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。

2）適當(dāng)降低升溫速率、提高保溫時(shí)間、提前加壓都能夠有效提升樹脂對鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的浸潤效果。

3）相較于保溫時(shí)間和加壓溫度，升溫速率對環(huán)氧樹脂浸潤效果和蜂窩剝離強(qiáng)度的影響均更加顯著。