模具表面狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件固化變形的影響

劉德博 湛利華 丁星星 蔣成標(biāo)

（1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

（2 中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

（3 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

（4 中南大學(xué)輕合金研究院，長(zhǎng)沙 410083）

文 摘 為查明不同模具表面狀態(tài)下的復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)變演變規(guī)律及其對(duì)固化變形的影響，采用熱電偶和光纖光柵傳感器對(duì)不同模具表面狀態(tài)下的復(fù)合材料構(gòu)件在熱壓罐成型工藝過程中的溫度和應(yīng)變進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，獲得不同模具表面狀態(tài)下構(gòu)件應(yīng)變的變化規(guī)律。結(jié)果表明：升溫階段脫模布的使用能夠有效屏蔽模具-構(gòu)件界面相互作用，使構(gòu)件在升溫階段的應(yīng)變很小。三層脫模劑模具表面條件下構(gòu)件中的應(yīng)變明顯小于一層脫模劑；降溫階段三種實(shí)驗(yàn)條件下在構(gòu)件中都出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)變，其中一層脫模劑模具表面狀態(tài)下模具-構(gòu)件相互作用力最大，在固化工藝完成后構(gòu)件發(fā)生翹曲變形，且翹曲變形以沿纖維方向?yàn)橹鳌?/p>

0 引言

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料因其高強(qiáng)度、耐腐蝕和抗疲勞等特點(diǎn)在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［1-3］。在熱固性樹脂基復(fù)合材料熱壓罐成型過程中，罐內(nèi)壓力會(huì)使構(gòu)件緊貼在模具上，當(dāng)溫度變化時(shí)，模具與構(gòu)件的自由熱膨脹或收縮會(huì)受到抑制，使得兩者之間產(chǎn)生相互作用［4］。復(fù)合材料構(gòu)件固化過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力在脫模釋放后引起構(gòu)件的回彈或翹曲，影響裝配甚至直接報(bào)廢。而在熱壓罐工藝中，金屬模具與復(fù)合材料構(gòu)件之間熱脹系數(shù)不匹配是引起構(gòu)件固化殘余應(yīng)力及變形的主要因素［5-7］。為了減小復(fù)合材料構(gòu)件的固化變形，需要對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件在熱壓罐固化過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的機(jī)制有更進(jìn)一步的研究。

KAUSHIK利用自制的實(shí)驗(yàn)裝置模擬熱壓罐工藝環(huán)境，通過測(cè)量固化過程中模具與構(gòu)件之間的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦因數(shù)來研究模具-構(gòu)件相互作用，發(fā)現(xiàn)樹脂固化度和升溫速率影響模具-構(gòu)件相互作用、樹脂固化收縮、復(fù)合材料性能、殘余應(yīng)力和界面失效模式從而與界面摩擦因數(shù)形成一定的函數(shù)關(guān)系［8］。FERNLUND 通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)如果構(gòu)件沿著曲率方向上的鋪層數(shù)量占大多數(shù)，改變另外的鋪層方式不會(huì)對(duì)回彈程度產(chǎn)生大的影響，此外固化周期、模具表面、預(yù)浸料種類和構(gòu)件鋪層都會(huì)顯著影響C 型件的回彈，并且L型件由模具與構(gòu)件熱脹系數(shù)不匹配引起的回彈遠(yuǎn)大于C 型件［9］。TWIGG 研究了固化工藝條件和平板件長(zhǎng)寬比對(duì)模具-構(gòu)件相互作用引起的翹曲，發(fā)現(xiàn)相較于固化壓力，構(gòu)件的長(zhǎng)寬比對(duì)翹曲的影響更大，而在不同模具表面狀態(tài)下成型后的構(gòu)件翹曲并無顯著區(qū)別，并且還給出了平板最大翹曲的計(jì)算公式［10］。岳廣全采用光纖光柵監(jiān)測(cè)了復(fù)合材料單向板固化過程中沿構(gòu)件厚度方向和面內(nèi)的應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件與模具熱膨脹系數(shù)不同引起的固化殘余應(yīng)變沿構(gòu)件厚度方向呈梯度分布，靠近模具端最大［11］。模具表面狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料固化成型精度具有十分重要的意義，但是關(guān)于固化過程中不同模具表面狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料固化過程中應(yīng)變影響的研究鮮有報(bào)道。

本文對(duì)復(fù)合材料單向?qū)雍习逶跓釅汗薰袒に囍械臏囟群蛻?yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用光纖光柵應(yīng)變傳感器直接獲得不同模具表面情況下復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變變化，并以此研究固化過程中不同模具表面狀態(tài)對(duì)模具-構(gòu)件相互作用的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)備

以T700/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料作為原材料，將每層預(yù)浸料裁剪為200 mm×200 mm，整個(gè)構(gòu)件使用10 層預(yù)浸料單向鋪貼而成，成型模具為鋁制平板。熱壓罐最高使用溫度為250 ℃，最大工作壓力為2 MPa，最大升溫速率5 ℃/min，可用最大試件尺寸435 mm×350 mm×600 mm，由大連櫻田機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)。光纖光柵解調(diào)儀型號(hào)為Zen Optics 960，適用波長(zhǎng)范圍：1 525 ～1 565 nm，由上海真光信息科技有限公司生產(chǎn)。光纖光柵傳感器作為應(yīng)變傳感器，溫度靈敏系數(shù)為0.0095 nm/℃，應(yīng)變靈敏系數(shù)為0.0012 nm/με。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理［12-17］

光纖光柵傳感器的纖芯折射率在軸向發(fā)生周期性調(diào)制，根據(jù)模耦合理論，中心反射波長(zhǎng)的特征方程為：

由于光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變均敏感，對(duì)單獨(dú)一個(gè)光纖光柵傳感器的溫度與應(yīng)變共同造成的波長(zhǎng)漂移無法區(qū)分，為了解決光纖光柵溫度和應(yīng)變交叉敏感的問題，使用熱電偶對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。這兩個(gè)傳感器位置接近，可以認(rèn)為處于相同的溫度場(chǎng)中，即兩者的溫度歷程相同，因此可通過公式（2）剔除波長(zhǎng)變化中溫度的影響，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變：

式中，Δε 和ΔT 分別是光柵應(yīng)變變化量和溫度變化量，Δλ 為光柵的波長(zhǎng)漂移量，Kε和KT分別為光柵的應(yīng)變靈敏系數(shù)和溫度靈敏系數(shù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了更好地監(jiān)測(cè)不同模具表面狀態(tài)對(duì)構(gòu)件應(yīng)變的影響，將光纖光柵應(yīng)變傳感器布置于第一層與第二層預(yù)浸料之間，其中第一層預(yù)浸料與模具接觸，如圖1所示，光纖與碳纖維平行。圖2為熱電偶和光纖光柵傳感器在預(yù)浸料中的鋪放位置示意圖。

圖1 復(fù)合材料構(gòu)件中光纖光柵位置圖Fig.1 Location of FBG in composite part

圖2 傳感器鋪放位置圖Fig.2 Locations of the sensors

由于熱電偶直徑很小，僅為0.3 mm，并且在同一平面內(nèi)構(gòu)件中的溫度場(chǎng)基本上是均勻的，因此熱電偶能獲得應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的溫度曲線，同時(shí)不會(huì)影響光纖光柵監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的應(yīng)變變化。

固化工藝如圖3所示。設(shè)計(jì)了三種不同的模具表面狀態(tài)，其中第一組和第二組實(shí)驗(yàn)中分別在模具表面涂覆一層和三層脫模劑，利用毛氈蘸取脫模劑，并通過手工涂覆的方式來施加于模具表面，脫模劑涂覆方法為：從模具一邊向另一邊以方向不可逆方式涂覆，每層脫模劑涂覆次數(shù)為2，涂覆時(shí)力求脫模劑均勻。每層脫模劑的時(shí)間間隔為15 min［環(huán)境要求：溫度（25±1）℃，濕度50%±10%］。利用橢偏儀對(duì)脫模劑厚度進(jìn)行了測(cè)量。

圖3 熱壓罐工藝曲線Fig.3 Curves of temperature and pressure in autoclave

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：“一層”和“三層”脫模劑厚度分別為8.078 μm 和27.579 μm。為便于敘述，后文用“一層”和“三層”來描述模具表面狀態(tài)。第三組實(shí)驗(yàn)在模具表面覆蓋一層脫模布，材質(zhì)為氟乙烯丙烯共聚物（FEP）。

2 結(jié)果與討論

圖4為構(gòu)件溫度與熱壓罐罐內(nèi)溫度變化曲線，由于存在熱交換過程，構(gòu)件溫度和罐內(nèi)溫度相比稍有滯后，整體上兩條曲線保持相當(dāng)?shù)囊恢滦?。圖5為三種模具表面狀態(tài)下復(fù)合材料構(gòu)件固化過程中溫度變化曲線，由圖5可知，三次試驗(yàn)中復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部溫度歷程基本一致，由此可知：模具表面狀態(tài)的改變對(duì)構(gòu)件溫度的變化影響很小。

圖6為三種模具表面狀態(tài)下復(fù)合材料單向板在沿纖維方向上的應(yīng)變演變曲線。在第一個(gè)升溫/保溫階段時(shí)樹脂處于粘流態(tài)，模具以及其材料特性對(duì)制件固化應(yīng)變的影響很小，而樹脂流動(dòng)是構(gòu)件固化過程應(yīng)變?cè)龃蟮闹饕蛩?，此時(shí)單向板沿纖維方向上主要為拉應(yīng)變；第二個(gè)升溫階段時(shí)樹脂處于橡膠態(tài)，樹脂基體熱膨脹導(dǎo)致拉應(yīng)變?cè)龃?；第二個(gè)保溫階段初期，劇烈的交聯(lián)反應(yīng)使樹脂基體收縮，應(yīng)變有所降低，隨后保持穩(wěn)定；降溫階段，隨著溫度的降低，樹脂基體收縮，三種實(shí)驗(yàn)條件下的應(yīng)變均隨溫度降低而減小，并轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)變。復(fù)合材料層合板應(yīng)變主要是由樹脂流動(dòng)、固化收縮及模具-構(gòu)件相互作用引起，并主要形成于固化過程降溫階段［18］。三種實(shí)驗(yàn)條件下的應(yīng)變曲線差異說明改變模具表面狀態(tài)會(huì)影響模具與構(gòu)件之間的相互作用，從而使構(gòu)件產(chǎn)生不同大小的固化變形。

圖4 構(gòu)件溫度與罐內(nèi)溫度變化Fig.4 Curves of temperature of autoclave and part

圖5 不同模具表面條件下構(gòu)件溫度曲線Fig.5 Curves of temperature of part in different condition

圖6 三種模具表面狀態(tài)下應(yīng)變曲線Fig.6 Curves of strain in three kinds of tool surface condition

從圖6可知，第一個(gè)升溫階段初期，在罐內(nèi)壓力和樹脂流動(dòng)雙重作用下，制件中的應(yīng)變產(chǎn)生了一個(gè)下凹的波谷，這主要是由于固化初期在罐內(nèi)壓力作用下，復(fù)合材料構(gòu)件會(huì)被壓實(shí)，并導(dǎo)致傳感器受壓，而后隨著構(gòu)件溫度逐漸升高，樹脂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，黏度逐漸降低、流動(dòng)性增大，由于樹脂流動(dòng)和傳力性能減弱，使得光纖光柵傳感器逐漸由受壓狀態(tài)恢復(fù)正常，在監(jiān)測(cè)結(jié)果上表現(xiàn)為壓應(yīng)變逐漸減小。當(dāng)工藝溫度達(dá)到80 ℃進(jìn)入第一個(gè)保溫階段時(shí)，樹脂已經(jīng)過了凝膠點(diǎn)，具備了一定的應(yīng)力傳遞能力［4］，在模具與構(gòu)件因熱脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的相互作用影響下，接觸模具的構(gòu)件部分會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)變，但模具表面狀態(tài)為一層脫模劑的構(gòu)件應(yīng)變明顯比三層脫模劑模具表面狀態(tài)下的構(gòu)件應(yīng)變要大，形成這種差別主要是模具-構(gòu)件相互作用是通過兩者之間的剪切應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)的，而兩者所能傳遞的剪切應(yīng)力會(huì)受到模具表面粗糙度和模具與構(gòu)件之間摩擦因數(shù)的影響［19］。相較于一層脫模劑，三層脫模劑能夠形成更厚的界面，改善模具表面粗糙度，降低模具與構(gòu)件之間的摩擦因數(shù)，減小兩者之間的剪切應(yīng)力，使得在升溫過程中由模具與構(gòu)件熱膨脹不同引起的構(gòu)件應(yīng)變變化較小。而模具表面狀態(tài)為脫模布時(shí)，構(gòu)件中監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變幾乎為零，說明脫模布能夠有效隔絕模具與構(gòu)件之間的剪切作用，屏蔽模具-構(gòu)件相互作用，因此當(dāng)溫度保持穩(wěn)定后，這三種情況下構(gòu)件應(yīng)變大小存在明顯梯度，并隨著模具-構(gòu)件相互作用的減弱而減小，如圖7所示。

圖7 兩次保溫階段不同模具表面狀態(tài)下的應(yīng)變值Fig.7 Strain values in two isothermal hold stages under different tool surface conditions

在第二個(gè)升溫階段，對(duì)模具-構(gòu)件相互作用減弱較小的一層脫模劑模具表面狀態(tài)下的應(yīng)變?cè)龇畲?，并且其增長(zhǎng)速率也最大，而脫模布模具表面狀態(tài)下的增幅最小。并且當(dāng)溫度上升到固化溫度附近時(shí)，構(gòu)件中產(chǎn)生劇烈的固化反應(yīng)，樹脂大量放熱并且產(chǎn)生固化收縮［20］，從而在三個(gè)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變曲線均產(chǎn)生了一個(gè)波峰。隨著固化工藝進(jìn)入第二個(gè)保溫階段，三種模具表面狀態(tài)下構(gòu)件應(yīng)變出現(xiàn)了和第一次保溫階段相似的梯度。三組實(shí)驗(yàn)條件下的應(yīng)變數(shù)值相較于第一個(gè)保溫階段均有一定的增大，其中一層脫模劑模具表面條件下的應(yīng)變?cè)龇畲?，這也與前述的應(yīng)變變化機(jī)制分析相同：一層脫模劑模具表面條件對(duì)模具與構(gòu)件之間的相互作用減弱效果最小，從而其模具與構(gòu)件剪切應(yīng)力在三種模具表面條件中是最大的，因此構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)變也是最大的。

隨著第二個(gè)保溫階段的結(jié)束，固化工藝進(jìn)入降溫階段，此時(shí)三種模具表面狀態(tài)下獲得的構(gòu)件應(yīng)變曲線均隨溫度的降低而不斷減小，并且應(yīng)變變化速率比升溫階段要大，由于在降溫時(shí)，樹脂已固化完全，構(gòu)件中的應(yīng)變變化主要是由模具與構(gòu)件熱脹系數(shù)不匹配引起的，說明在整個(gè)固化過程中，三種實(shí)驗(yàn)條件下的模具-構(gòu)件相互作用均在降溫階段達(dá)到最大。這是由于樹脂固化完成使構(gòu)件與模具之間由滑動(dòng)摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰訝顟B(tài)，兩者之間所能傳遞的最大剪切應(yīng)力顯著增大，從而使應(yīng)變隨溫度降低而迅速變化，并且從圖6中可以看到，脫模布模具表面狀態(tài)下構(gòu)件應(yīng)變降幅也迅速下降，表明樹脂的固化顯著增強(qiáng)模具—構(gòu)件相互作用，脫模布也只能部分減小模具熱收縮對(duì)構(gòu)件應(yīng)變的影響。在降溫結(jié)束后，三個(gè)實(shí)驗(yàn)中構(gòu)件中的應(yīng)變均大幅變化，并且由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，整個(gè)降溫過程中三條曲線的應(yīng)變降幅依然呈現(xiàn)出相似的梯度（圖6）。說明模具表面狀態(tài)不僅影響未完全固化構(gòu)件中的應(yīng)變變化，在固化完成后的降溫階段，其對(duì)構(gòu)件中的應(yīng)變變化依然有較大影響。固化結(jié)束后三種模具表面狀態(tài)下構(gòu)件的變形如圖8所示，圖中構(gòu)件并未從模具上拆除。

圖8 三種模具表面狀態(tài)下固化成型的構(gòu)件Fig.8 Cured part of three tool surface condition

從圖8（a）中可以明顯看出，一層脫模劑條件下的構(gòu)件沿纖維方向發(fā)生明顯翹曲，說明在此實(shí)驗(yàn)條件下，模具與構(gòu)件之間的相互作用非常強(qiáng)烈。而從圖8（b）可以看出三層脫模劑模具表面狀態(tài)下的構(gòu)件并未發(fā)生明顯變形，說明脫模劑的涂刷次數(shù)能夠有效減小模具-構(gòu)件相互作用，改善構(gòu)件變形。當(dāng)模具表面狀態(tài)為脫模布時(shí)，如圖8（c）所示，模具與構(gòu)件在邊緣發(fā)生了分離，表明外界壓力撤除后，在此條件下的模具-構(gòu)件相互作用非常小，不能維持模具與構(gòu)件的界面結(jié)合從而發(fā)生分離，這與前述獲得的不同模具表面狀態(tài)對(duì)模具-構(gòu)件相互作用應(yīng)變的影響一致。

3 結(jié)論

（1）在升溫階段，鋪放脫模布能夠有效屏蔽模具-構(gòu)件界面相互作用，使構(gòu)件在升溫階段的應(yīng)變很小，而當(dāng)樹脂完全固化，固化工藝進(jìn)入降溫階段后，脫模布的屏蔽作用減弱，構(gòu)件會(huì)因模具與構(gòu)件熱脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生壓應(yīng)變。

（2）脫模劑的層數(shù)會(huì)影響模具-構(gòu)件相互作用，三層脫模劑模具表面條件下構(gòu)件中的應(yīng)變要明顯小于一層脫模劑表面條件下構(gòu)件中的應(yīng)變。

（3）殘余應(yīng)變主要產(chǎn)生于降溫階段，樹脂的固化使模具與構(gòu)件界面作用加強(qiáng)，能傳遞更大的剪切應(yīng)力，并且一層脫模劑模具表面狀態(tài)下模具與構(gòu)件之間的相互作用最大，在固化工藝進(jìn)程結(jié)束后，構(gòu)件發(fā)生明顯的翹曲變形，翹曲變形以沿纖維方向?yàn)橹鳌?/p>