碳纖維樹脂基復(fù)合材料的層合板工藝對(duì)其表面粗糙度的影響

雷 婷，邵慧奇，1b，季小強(qiáng)，陳南梁，1b，蔣金華，1b

(1.東華大學(xué) a.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心,b.紡織學(xué)院, 上海 201620;2.常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司,江蘇 常州 213135)

在無線電領(lǐng)域中,波導(dǎo)管是用于傳輸高頻電磁波的金屬導(dǎo)管或者內(nèi)表面覆上金屬的空心管,波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)通常為具有薄壁的空心方管或者圓管。根據(jù)波導(dǎo)管的工作原理可知,若其內(nèi)表面的光滑程度較差,會(huì)造成電磁波在傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生散射損耗,極大地影響傳輸效率,而波導(dǎo)管成型工藝對(duì)其表面粗糙度產(chǎn)生直接影響。同時(shí)在通信衛(wèi)星領(lǐng)域,減輕衛(wèi)星質(zhì)量能夠有效地降低發(fā)射成本,波導(dǎo)管作為衛(wèi)星重要元件之一,其向輕量化發(fā)展是必然趨勢(shì)。樹脂基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕等特點(diǎn),在太空工作環(huán)境下既能保持尺寸穩(wěn)定性和剛性,又能滿足輕量化的要求,因此,有必要采取能降低表面粗糙度的成型工藝,從而制備樹脂基復(fù)合材料波導(dǎo)管,使其能夠滿足工作環(huán)境的要求并且達(dá)到減少電磁波傳輸損耗的目的。

與常見的黃銅波導(dǎo)管相比,相同結(jié)構(gòu)尺寸的樹脂基復(fù)合材料波導(dǎo)管能減少80%的質(zhì)量[1]。同時(shí),樹脂基復(fù)合材料的比強(qiáng)度及比模量較高,與金屬鋼相比,其比強(qiáng)度為鋼的15～20倍,比模量為鋼、鋁等金屬的4～6倍[2]。樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體纖維一般采用碳纖維、玻璃纖維、芳綸等高性能纖維,其中碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于芳綸復(fù)合材料,且密度小于玻璃纖維復(fù)合材料,更能適應(yīng)衛(wèi)星的工作環(huán)境。此外,根據(jù)增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的不同,樹脂基復(fù)合材料可分為織物復(fù)合材料和單向布復(fù)合材料,其中,織物復(fù)合材料根據(jù)織物的組織結(jié)構(gòu)不同分為平紋布復(fù)合材料、斜紋布復(fù)合材料等[3]。另外,復(fù)合材料的成型工藝主要有樹脂灌注成型工藝、真空輔助樹脂注射成型工藝、低壓接觸成型工藝、模壓成型工藝及層壓成型工藝等,其中,層壓成型工藝對(duì)溫度和壓力要求不高,產(chǎn)品的表面光潔度高且生產(chǎn)效率高。層壓成型工藝中采用的預(yù)浸料主要由碳纖維紗或者碳纖維布與樹脂經(jīng)過涂覆、熱壓、冷卻、覆膜和卷取等工藝制成。碳纖維預(yù)浸料作為制成復(fù)合材料的中間產(chǎn)品,具有容易成型、便于加工、成型工藝所需設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

樹脂基復(fù)合材料制件因成型工藝的不同而導(dǎo)致表面形貌的不同。Lukaszewicz等[4]研究表明,碳纖維復(fù)合材料制件的表面粗糙度與預(yù)浸料未固化之前的粗糙度及孔隙率有關(guān)。樹脂基復(fù)合材料制件的孔隙的來源主要有3類:一是在制備預(yù)浸料時(shí)裹挾進(jìn)去的空氣,這類氣泡主要存在于預(yù)浸料的層內(nèi),由于制備工藝不同以及型號(hào)不同,預(yù)浸料孔隙率達(dá)2%～20%,孔隙的直徑為20 μm左右;二是在鋪設(shè)預(yù)浸料的過程中由于操作原因?qū)е落佋O(shè)不平整使層間存在一定的氣泡部分,這類氣泡可以采用抽真空的方式進(jìn)行有效去除,由于預(yù)浸料本身的透氣性差,因此不能完全去除這類氣泡;三是在預(yù)浸過程中,存在一定的揮發(fā)物從液態(tài)到氣態(tài)的相變,從而導(dǎo)致一部分氣泡的產(chǎn)生[5],氣泡在經(jīng)過樹脂固化反應(yīng)之后就會(huì)產(chǎn)生凹坑和孔洞。針對(duì)第一類氣泡的形成過程,Kim等[6]的研究表明預(yù)浸料裹挾的空氣導(dǎo)致的缺陷會(huì)隨著溫度的不同而發(fā)生變化。另外,有學(xué)者針對(duì)樹脂在纖維增強(qiáng)體中的流動(dòng)行為進(jìn)行研究,Cender等[7]對(duì)于樹脂在纖維增強(qiáng)體中的流動(dòng)模式進(jìn)行了試驗(yàn)和模擬研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)樹脂在浸漬纖維體時(shí)分為3個(gè)步驟:(1)樹脂從交織的孔隙中流出,填滿織物中大部分孔隙;(2)樹脂受到外部壓力及模具同時(shí)作用,樹脂逐漸被擠壓,此時(shí)樹脂充分填滿孔隙并且開始浸入纖維束;(3)樹脂完全浸漬纖維束。Ma等[8]研究發(fā)現(xiàn),在樹脂浸漬纖維增強(qiáng)體的過程中,升高保溫溫度以及延長(zhǎng)保溫時(shí)間能夠有效提高樹脂浸漬效果以及樹脂-纖維界面的纖維體積分?jǐn)?shù)。Naito等[9]對(duì)預(yù)浸料中樹脂的流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)預(yù)浸料中的樹脂流動(dòng)分為剪切流動(dòng)與滲透流動(dòng),其中,剪切流動(dòng)量由纖維增強(qiáng)體的彈性以及外部壓力決定,而滲透流動(dòng)量主要取決于凝膠區(qū)域,當(dāng)凝膠區(qū)域中的凝膠點(diǎn)形成時(shí),滲透流動(dòng)就會(huì)停止。目前對(duì)樹脂基復(fù)合材料制件的表面粗糙度的研究主要集中在成型過程中產(chǎn)生的氣泡所造成的孔隙對(duì)表面粗糙度的影響,針對(duì)樹脂流動(dòng)的研究中往往沒有關(guān)注樹脂流動(dòng)對(duì)復(fù)合材料制件表面形貌的影響。樹脂基復(fù)合材料成型中增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)、樹脂流動(dòng)情況及工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的精確控制和影響規(guī)律仍不夠明晰,因此需要進(jìn)一步研究成型工藝與其表面粗糙度的相互關(guān)系。

本研究主要從碳纖維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)方面探究影響碳纖維樹脂基復(fù)合材料層合板(簡(jiǎn)稱“復(fù)合材料層合板”)表面形貌的因素和規(guī)律,研究增強(qiáng)體織物結(jié)構(gòu)及鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)方式、脫模劑、保溫溫度、保溫時(shí)間等因素對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

采用碳纖維預(yù)浸料作為原料,預(yù)浸料中的碳纖維增強(qiáng)體為單向布、平紋布和斜紋布,其中,面密度為200 g/m2,纖維束的規(guī)格為3k,碳纖維類型為T300。預(yù)浸料所使用的樹脂為環(huán)氧樹脂,固化溫度為120～150 ℃。成品預(yù)浸料的面密度為323 g/m2,樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%～40%。

采用的模具為鋁制鏡面平板(鏡面的表面粗糙度為0.061 μm,涂抹脫模劑多次之后模具的表面粗糙度為0.054 μm)。脫模劑采用的是購自easy composites復(fù)材易購(北京)科技有限公司的耐高溫油性化學(xué)脫模劑(Easy-Lease200)。使用的主要儀器包括高溫烘箱和壓燙機(jī),其中,壓燙機(jī)的壓力為325 N,由壓力檢測(cè)儀器檢測(cè)。

1.2 試樣制備

試樣制備工藝流程:首先將3種不同增強(qiáng)體的碳纖維預(yù)浸料裁剪為40 mm×40 mm的正方形,將其按照不同的鋪設(shè)方式和鋪設(shè)層數(shù)放置于鋁制鏡面模具上;然后抽真空,等真空處理結(jié)束后關(guān)閉閥門,直接帶著閥門從真空泵上卸下試樣,使其保持真空狀態(tài)并送入烘箱,然后進(jìn)行加熱、保溫;最后從烘箱中取出試樣并在壓燙機(jī)上保溫保壓90 min,最終經(jīng)過降溫脫模得到復(fù)合材料層合板。

1.3 測(cè)量方法

本文所有試樣的表面粗糙度均為試樣靠近硬質(zhì)模具一面的表面粗糙度。在相同試驗(yàn)條件下制備5塊試樣,分別在每塊試樣上隨機(jī)均勻取5個(gè)點(diǎn),使用TR200型表面粗糙度儀分別測(cè)量這5塊試樣的點(diǎn),共需測(cè)量25次,將這25個(gè)表面粗糙度值進(jìn)行平均,得到該試驗(yàn)條件下試樣的最終表面粗糙度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同碳纖維增強(qiáng)體及預(yù)浸料層數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

為了探究不同增強(qiáng)體種類以及不同鋪設(shè)層數(shù)對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響,分別將單向布、平紋布、斜紋布預(yù)浸料從1層到6層進(jìn)行鋪設(shè)制成復(fù)合材料層合板,并對(duì)它們的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量及分析。

不同增強(qiáng)體種類預(yù)浸料及層數(shù)對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響如圖1所示。由圖1可以看出:以單向布、平紋布、斜紋布預(yù)浸料為原料制備的試樣的表面粗糙度均隨著鋪設(shè)層數(shù)的增加而降低,其中,鋪設(shè)到6層時(shí),單向布、平紋布及斜紋布復(fù)合材料層合板的表面粗糙度分別為0.609、0.303、0.329 μm,相比較鋪設(shè)層數(shù)為1層,三者的表面粗糙度分別下降了60.1%、90.0%、83.5%。由圖1還可知:在鋪設(shè)層數(shù)為1層的情況下,單向布復(fù)合材料層合板的粗糙度最小,為1.527 μm,平紋布復(fù)合材料層合板的粗糙度最大,為2.901 μm;而鋪設(shè)層數(shù)增加到6層時(shí),平紋布和斜紋布復(fù)合材料層合板的表面粗糙度較小,單向布復(fù)合材料層合板的表面粗糙度最大,為0.609 μm。

圖1 不同增強(qiáng)體種類預(yù)浸料及層數(shù)對(duì)復(fù)合材料層合板的表面粗糙度的影響Fig.1 Impacts of different types of prepregs and different number of layers on the surface roughness of composite laminates

采用光學(xué)顯微鏡觀察復(fù)合材料層合板的表面形貌。隨著鋪設(shè)層數(shù)的增加,復(fù)合材料層合板表面樹脂覆蓋情況如圖2所示。通過提高圖像對(duì)比度,顏色深處為樹脂覆蓋富脂區(qū),顏色淺處為纖維暴露出來的貧脂區(qū)。由圖2可以看出:平紋布、斜紋布復(fù)合材料層合板表面形貌特征明顯,貧脂區(qū)往往出現(xiàn)在4個(gè)交織點(diǎn)中的孔隙處;而單向布復(fù)合材料層合板的貧脂區(qū)出現(xiàn)在單根纖維與纖維之間。由于碳纖維的折射率比樹脂的折射率高很多,所以能夠明顯區(qū)分出纖維暴露區(qū)和樹脂覆蓋區(qū)。利用MATLAB軟件計(jì)算出圖2中樹脂覆蓋區(qū)所在黑色色塊像素點(diǎn)與總體像素點(diǎn)的比值,將其用于表征復(fù)合材料層合板表面的樹脂覆蓋程度,稱為樹脂覆蓋率。表1為樹脂覆蓋率與復(fù)合材料層合板表面粗糙度的對(duì)比情況。由表1中可以看出:相較于鋪設(shè)1層平紋布和斜紋布預(yù)浸料,單向布預(yù)浸料的樹脂覆蓋率和表面粗糙度也較小;鋪設(shè)層數(shù)為6層時(shí),樹脂覆蓋率從大到小依次為平紋布、斜紋布和單向布,表面粗糙度從小到大也為平紋布、斜紋布、單向布,呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。在鋪設(shè)層數(shù)較少與較多時(shí),3種復(fù)合材料層合板呈現(xiàn)的表面粗糙度規(guī)律不同,其原因在于鋪設(shè)層數(shù)較少與較多時(shí)復(fù)合材料層合板的表面粗糙度的主要決定因素是不同的。

表1 復(fù)合材料層合板的表面樹脂覆蓋率與表面粗糙度對(duì)比Table 1 Comparison of surface resin coverage and surface roughness of composite laminates

圖2 不同鋪設(shè)層數(shù)的復(fù)合材料層合板表面樹脂覆蓋情況Fig.2 Surface resin coverage of composite laminates with different number of layers

隨著鋪設(shè)層數(shù)的增多,單向布、平紋布和斜紋布復(fù)合材料層合板的表面粗糙度均減小。這是因?yàn)槊繉拥念A(yù)浸料所含的樹脂經(jīng)加熱加壓處理后,會(huì)通過纖維間的縫隙或者交織點(diǎn)之間的孔隙流到了層合板的表面,層數(shù)較少時(shí),流向表面的樹脂量少,樹脂覆蓋率小,層數(shù)較多時(shí),層合板表面的樹脂覆蓋率也會(huì)較大。不同種類增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)圖及樹脂流動(dòng)通道示意圖如圖3所示。由圖3可以看出:單向布的樹脂只能在纖維束之間的縫隙中層間流動(dòng),平紋布和斜紋布存在孔隙,樹脂能在織物中通過孔隙以及纖維束之間縫隙進(jìn)行層間流動(dòng),所以樹脂在平紋布和斜紋布中流動(dòng)比較容易,滲透率較大,造成表面樹脂覆蓋率較大。鋪設(shè)層數(shù)為1層時(shí),單向布復(fù)合材料層合板的表面粗糙度小于平紋布、斜紋布紋復(fù)合材料層合板的表面粗糙度。因?yàn)閷訑?shù)較少時(shí),三者表面樹脂的覆蓋量都較少,纖維增強(qiáng)體大面積暴露在外,此時(shí)單向布中纖維束平整有序的優(yōu)勢(shì)較明顯,而平紋布和斜紋布存在交織點(diǎn),交織點(diǎn)處的纖維束具有屈曲變化,這種交織的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度變大。當(dāng)鋪設(shè)層數(shù)達(dá)到6層,流動(dòng)通道更加通暢的平紋布、斜紋布復(fù)合材料層合板的表面樹脂覆蓋率變大,此時(shí)影響試樣表面粗糙度的主要因素為樹脂覆蓋率,所以平紋布、斜紋布復(fù)合材料層合板的表面粗糙度比較小。造成圖2中平紋布、斜紋布復(fù)合材料層合板與單向布復(fù)合材料層合板表面形貌區(qū)別明顯的原因在于平紋布、斜紋布與單向布的結(jié)構(gòu)差異。平紋布和斜紋布中相鄰的4個(gè)交織點(diǎn)中間存在空隙或者相對(duì)厚度較小的凹坑,樹脂流動(dòng)時(shí)更多黏附在纖維表面,纖維間孔隙處表面張力小且樹脂含量不足無處依附,導(dǎo)致平紋布、斜紋布復(fù)合材料層合板中存在孔洞;單向布的表面不平整情況通常會(huì)發(fā)生在單根纖維與纖維之間,樹脂通常只能依附在單向排列的纖維上或者浸入纖維內(nèi),因此表面存在沿著纖維束方向的樹脂不均的現(xiàn)象。

圖3 不同種類增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)及樹脂流動(dòng)通道示意圖Fig.3 Structural diagrams of different types of fabric and resin flow pathway

2.2 預(yù)浸料不同鋪設(shè)方式對(duì)表面粗糙度的影響

由于預(yù)浸料鋪設(shè)方式不同會(huì)導(dǎo)致樹脂流動(dòng)通道不同,因此,為了探究不同的鋪設(shè)方式對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響,通過改變6層預(yù)浸料中2層預(yù)浸料種類的方式,設(shè)計(jì)6種具有不同鋪設(shè)方式的復(fù)合材料層合板。6種復(fù)合材料層合板的預(yù)浸料鋪設(shè)方式及其表面粗糙度如表2所示。

表2 6種復(fù)合材料層合板的預(yù)浸料鋪設(shè)方式及其表面粗糙度Table 2 Prepreg laying methods and surface roughness of 6 kinds of composite laminates

由表2可以看出:當(dāng)與模具的接觸面為單向布預(yù)浸料時(shí),將中間2層單向布預(yù)浸料換成平紋布預(yù)浸料后,復(fù)合材料層合板表面粗糙度下降了0.059 μm;當(dāng)與模具的接觸面為平紋布預(yù)浸料時(shí),將中間2層平紋布預(yù)浸料換成單向布預(yù)浸料后,復(fù)合材料層合板表面粗糙度增大了0.083 μm;當(dāng)與模具的接觸面為斜紋布預(yù)浸料時(shí),將中間2層斜紋布預(yù)浸料換成單向布預(yù)浸料后,復(fù)合材料層合板表面粗糙度增大了0.063 μm。試驗(yàn)結(jié)果表明:內(nèi)部層預(yù)浸料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的不同會(huì)造成樹脂流動(dòng)通道的不同,進(jìn)而影響樹脂的流動(dòng)情況,最終影響試樣的表面粗糙度。但是,內(nèi)部層預(yù)浸料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響較小,主要的影響因素還是作為接觸面的預(yù)浸料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)種類,如1#與3#、5#試樣相比較,采用不同增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的預(yù)浸料作為接觸面,復(fù)合材料層合板表面粗糙度結(jié)果差異較大。

2.3 不同脫模劑層數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

為了探究不同脫模劑層數(shù)對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響,將脫模劑在光面的鋁制模具上進(jìn)行不同層數(shù)(1～6層)涂覆,待模具表面干燥之后鋪設(shè)6層平紋布預(yù)浸料制成復(fù)合材料層合板試樣,并測(cè)量它們的表面粗糙度。

不同脫模劑層數(shù)對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響如圖4所示。由圖4可以看出:在脫模劑涂覆層數(shù)較少的情況下,試樣的表面粗糙度波動(dòng)較大,其中:涂覆3層脫模劑的試樣與涂覆1層脫模劑的試樣相比,前者表面粗糙度下降了64.4%;當(dāng)涂覆層數(shù)大于3層時(shí),脫模劑層數(shù)對(duì)試樣表面粗糙度的影響較小,并且隨著脫模劑層數(shù)的增加,試樣的表面粗糙度基本無變化。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),僅僅涂覆1層脫模劑時(shí),試樣較難脫模,并且在脫模之后部分樹脂殘留在模具上導(dǎo)致碳纖維的暴露,從而降低試樣的表面光滑程度,有趣的是,這種現(xiàn)象隨著涂覆的脫模劑層數(shù)的增加而得到有效緩解。這是因?yàn)槊撃┠軌蛟谀＞吆驮嚇娱g形成一層薄膜,而這層薄膜可以有效地保護(hù)固化后的層合板試樣表面樹脂的完整性。

圖4 脫模劑層數(shù)對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響Fig.4 Impact of layers of release agent on surface roughness of composite laminates

2.4 預(yù)固化保溫溫度對(duì)粗糙度的影響

按溫度變化區(qū)分,可以將預(yù)浸料的層壓成型工藝分為5個(gè)不同的階段[10],具體溫度變化過程如圖5所示。在預(yù)固化階段(圖5中b～c階段),樹脂在增強(qiáng)體中滲透流動(dòng),將多層增強(qiáng)體通過樹脂基體黏合在一起以增強(qiáng)復(fù)合材料的層間性能,這個(gè)階段樹脂的流動(dòng)性好,流動(dòng)滲透比較活躍,此時(shí)的保溫溫度以及保溫時(shí)間決定樹脂流動(dòng)的活躍程度。為了研究預(yù)固化保溫溫度對(duì)表面粗糙度的影響,將保溫溫度分別調(diào)設(shè)為70、80、90、100、110 ℃,并鋪設(shè)6層平紋布預(yù)浸料制備復(fù)合材料層合板試樣,然后測(cè)量它們的表面粗糙度。

圖5 層壓工藝的溫度變化過程Fig.5 Temperature change process of lamination process

預(yù)固化階段保溫溫度對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響如圖6所示。由圖6可以看出,隨著保溫溫度的提高,試樣的表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),其中保溫溫度為90 ℃時(shí),試樣的表面粗糙度最小。不同保溫溫度下的增強(qiáng)體內(nèi)樹脂流動(dòng)情況如圖7所示。由圖7可以看出:當(dāng)預(yù)固化階段的保溫溫度為70 ℃時(shí),樹脂的黏度大,樹脂自流動(dòng)的活躍程度小,從而樹脂擴(kuò)散范圍較小;在保溫溫度為90 ℃時(shí),樹脂黏度小,樹脂擴(kuò)散范圍較大;當(dāng)保溫溫度升高到110 ℃時(shí),樹脂沒有發(fā)生滲流現(xiàn)象,不存在樹脂脫離增強(qiáng)體的情況。

圖6 預(yù)固化階段不同保溫溫度對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響Fig.6 Impact of different holding temperature on surface roughness of composite laminates in pre-curing stage

圖7 不同保溫溫度下增強(qiáng)體內(nèi)的樹脂流動(dòng)情況Fig.7 Resin flow within the reinforcement at different holding temperatures

樹脂在不同的溫度下呈現(xiàn)不同的黏度,并且由于樹脂黏彈性的改變,其流變特性也會(huì)隨溫度變化而變化[11-12]。通常認(rèn)為樹脂在織物增強(qiáng)體間的流動(dòng)過程遵循Darcy定律[13],如式(1)所示。

(1)

式中:Q為樹脂滲流量;K為增強(qiáng)織物的滲透性參數(shù);A為垂直于流動(dòng)方向的橫截面積;Δp為流動(dòng)路程L的壓力降;η為樹脂黏度,η=φ(t,T),其中t為預(yù)固化保溫時(shí)間,T為預(yù)固化保溫溫度。由式(1)可知,預(yù)固化的保溫時(shí)間和保溫溫度的變化會(huì)影響樹脂黏度的變化,進(jìn)而影響樹脂在增強(qiáng)體間的滲透量。如果樹脂黏度過小,樹脂會(huì)從增強(qiáng)體向外滲出;反之,樹脂不能充分流動(dòng),并且很難均勻地黏附在碳纖維的表面上[14]。因此樹脂黏度應(yīng)在一個(gè)有利的范圍內(nèi)。當(dāng)預(yù)固化階段的保溫溫度為90 ℃時(shí),試樣表面粗糙度最小,這是因?yàn)榇藭r(shí)樹脂黏度降低,樹脂流動(dòng)滲透能力提高,造成試樣表面樹脂覆蓋率增大,從而降低其表面粗糙度。當(dāng)保溫溫度為70 ℃時(shí),樹脂流動(dòng)性差,因此造成試樣的樹脂滲透率低,碳纖維未能被樹脂充分包裹住,從而導(dǎo)致試樣的表面粗糙度增大。當(dāng)保溫溫度為110 ℃時(shí),此時(shí)保溫溫度接近樹脂的固化溫度,固化反應(yīng)加速,抑制了樹脂的充分滲透,也造成試樣表面樹脂滲透包覆不充分,進(jìn)而導(dǎo)致試樣表面粗糙度增大。

2.5 預(yù)固化階段保溫時(shí)間對(duì)粗糙度的影響

樹脂的流動(dòng)同樣受到預(yù)固化階段保溫時(shí)間的影響,為了探究保溫時(shí)間對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響,通過設(shè)置預(yù)固化階段不同的保溫時(shí)間(10、20、30、40、50、60 min),分別在模具上鋪設(shè)6層平紋布預(yù)浸料制備復(fù)合材料層合板試樣,然后測(cè)量它們的表面粗糙度。

預(yù)固化階段保溫時(shí)間對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響如圖8所示。由圖8可以看出,試樣的表面粗糙度隨著預(yù)固化階段保溫時(shí)間的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),其中保溫時(shí)間為30 min時(shí)試樣表面粗糙度最小。不同保溫時(shí)間下增強(qiáng)體內(nèi)樹脂流動(dòng)情況如圖9所示。隨著預(yù)固化階段保溫時(shí)間的增加,樹脂擴(kuò)散范圍增大且漸漸脫離纖維增強(qiáng)體。

圖8 預(yù)固化階段不同保溫時(shí)間對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響Fig.8 Impact of different holding time on surface roughness of composite laminates in pre-curing stage

圖9 不同保溫時(shí)間下增強(qiáng)體內(nèi)樹脂流動(dòng)情況Fig.9 Resin flow within the reinforcement at different holding time

由于選擇的預(yù)固化保溫溫度為90 ℃,樹脂黏度小,流動(dòng)能力強(qiáng),在這個(gè)溫度下,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),樹脂能夠在層間充分流動(dòng),從而可有效填補(bǔ)孔隙。在保溫30 min的情況下,樹脂充分流動(dòng)到試樣表面,表面樹脂覆蓋率的增加能夠減小試樣表面孔隙的數(shù)量和大小,同時(shí)樹脂不會(huì)過于脫離纖維有效區(qū)域,表面光滑程度達(dá)到最佳狀態(tài);保溫時(shí)間為60 min時(shí),樹脂已經(jīng)部分流失并且脫離了纖維有效區(qū)域,樹脂發(fā)生滲漏現(xiàn)象[15-16],產(chǎn)生大量孔隙,通過觀察試樣表面,可以看到部分纖維已經(jīng)暴露,進(jìn)而導(dǎo)致試樣的表面粗糙度增大。

3 結(jié) 論

為了制備內(nèi)表面光滑、粗糙度小的碳纖維樹脂基復(fù)合材料層合板波導(dǎo)管,研究分析了碳纖維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)、鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)方式以及預(yù)固化的工藝條件對(duì)復(fù)合材料層合板表面粗糙度的影響規(guī)律,得到以下結(jié)論:

——單向布、平紋布和斜紋布復(fù)合材料層合板的表面粗糙度均隨著鋪設(shè)層數(shù)的增多而減小。

——將單向布、平紋布和斜紋布復(fù)合材料層合板相比較發(fā)現(xiàn),隨著鋪設(shè)層數(shù)的增加,影響復(fù)合材料層合板表面粗糙度的主要因素從碳纖維增強(qiáng)體本身的平整程度變成樹脂流動(dòng)通道。鋪設(shè)層數(shù)較少時(shí),增強(qiáng)體本身的平整程度較高的單向布復(fù)合材料層合板粗糙度較小;鋪設(shè)層數(shù)較多時(shí),樹脂流動(dòng)通道更加順暢的平紋布和斜紋布復(fù)合材料層合板表面粗糙度較小。

——改變鋪設(shè)方式對(duì)復(fù)合材料層合板的表面粗糙度有一定的影響,采用不同增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的預(yù)浸料作為接觸面,復(fù)合材料層合板表面粗糙度結(jié)果差異較大。

——從工藝的角度來看,脫模劑的涂覆層數(shù)大于3層時(shí),對(duì)復(fù)合材料層合板的表面粗糙度影響不明顯;成型工藝的預(yù)固化保溫溫度為90 ℃、保溫時(shí)間為30 min時(shí),樹脂的黏度最有利于其流動(dòng),因此復(fù)合材料層合板的表面粗糙度最小。