真空成型復(fù)合材料層壓板固化工藝研究

摘 要 真空成型復(fù)合材料不同于熱壓罐成型復(fù)合材料，固化時(shí)無需使用熱壓罐，僅需對(duì)預(yù)浸料預(yù)制件施加一個(gè)真空壓力，通過熱補(bǔ)儀或烘箱完成固化過程，具有生產(chǎn)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。本文將單向帶和織物兩種真空成型復(fù)合材料采用熱補(bǔ)儀和烘箱兩種工藝固化的層壓板的孔隙率進(jìn)行對(duì)比，金相檢測(cè)結(jié)果表明熱補(bǔ)儀成型層壓板的孔隙率略高于烘箱成型層壓板，但兩者的差異不大，并通過試驗(yàn)進(jìn)一步研究了熱補(bǔ)儀和烘箱兩種固化工藝對(duì)真空成型復(fù)合材料層壓板層間剪切性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明熱補(bǔ)儀和烘箱成型層壓板的層間剪切強(qiáng)度差異很小， 烘箱成型層壓板的層間剪切強(qiáng)度略高。本文證明了熱補(bǔ)儀對(duì)文中兩種單向帶和織物真空成型復(fù)合材料的固化效果很好，可以達(dá)到接近烘箱的固化效果。

關(guān)鍵詞 真空成型；復(fù)合材料；熱補(bǔ)儀；烘箱；層間剪切

Research on Curing Process of Vacuum Molding

Composite Laminates

LIU Lu1， ZENG Xiaomiao1， LIANG Yijun1， YU Hongbin2， BI Hongyan2

（1. AVIC GA Huanan Aircraft Industry Co.， Ltd.， Zhuhai 519040；2. AVIC Composite

Corporation Ltd.， Beijing 101300）

ABSTRACT Vacuum molding composites are different from autoclave molding composites. During the curing of vacuum molding composites， there is no need to use an autoclave. Only a vacuum pressure needs to be applied to the prepreg preform， and the curing process is completed through the hot bonder or oven. Vacuum molding composites have the advantages of low production cost， wide applicability， and high production efficiency. This paper compares the porosity of laminates cured by two vacuum molding composites， unidirectional tape and fabric， using hot bonder and oven curing processes. The metallographic examination results indicate that the porosity of the hot bonder formed laminate is slightly higher than that of the oven formed laminate， but the difference is not significant. The effects of two curing processes， hot bonder and oven， on the interlaminar shear properties of vacuum molding composite laminates are further studied through experiments. The test results show that there is little difference in interlaminar shear strength between the hot bonder and the oven formed laminates， and the interlaminar shear strength of the oven formed laminates is slightly higher. In this paper， it is proved that the curing effect of the hot bonder on the two types of unidirectional tape and fabric vacuum molding composites is very good， and it can achieve the curing effect close to the oven.

KEYWORDS vacuum molding； composites; hot bonder; oven; interlaminar shear

1 引言

復(fù)合材料因其比強(qiáng)度、比模量高，抗疲勞、耐腐蝕性能好，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代大型民用飛機(jī)中被廣泛應(yīng)用。然而在飛機(jī)制造和使用過程中，由于意外事故或者其他原因難免會(huì)出現(xiàn)損傷，需要對(duì)復(fù)合材料部件進(jìn)行修理，因此需要一種效率高、易操作、成本低的復(fù)合材料外場(chǎng)修補(bǔ)工藝［1-2］。飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外場(chǎng)維修時(shí)通常采用熱補(bǔ)儀進(jìn)行修理［3］，且一般不宜選用原結(jié)構(gòu)材料，因?yàn)榇蠖鄶?shù)原結(jié)構(gòu)材料要在熱壓罐中以較高壓力成型，熱壓罐成型復(fù)合材料使用熱補(bǔ)儀修補(bǔ)時(shí)的固化效果并不理想［4］，真空成型復(fù)合材料相比于熱壓罐成型復(fù)合材料更適用于熱補(bǔ)儀外場(chǎng)維修［5］。真空成型復(fù)合材料可以選用熱補(bǔ)儀或烘箱進(jìn)行固化。熱補(bǔ)儀具有溫度可控可監(jiān)測(cè)、成本低、操作簡(jiǎn)單、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。但熱補(bǔ)儀固化復(fù)合材料時(shí)存在材料內(nèi)部溫度分布不均勻的現(xiàn)象，靠近電熱毯一側(cè)的復(fù)合材料表面溫度較高，會(huì)比遠(yuǎn)離電熱毯一側(cè)先達(dá)到固化溫度，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量由高溫端向低溫端傳遞過程中會(huì)損失一部分，在材料厚度方向上會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致材料厚度方向上固化不均勻，易產(chǎn)生孔隙，影響復(fù)合材料的固化質(zhì)量和力學(xué)性能［6］。烘箱可以實(shí)現(xiàn)均勻加熱但存在體積龐大、外場(chǎng)無法攜帶的缺點(diǎn)。在復(fù)合材料部件生產(chǎn)過程中可以選用烘箱或熱壓罐成型，但在某些外場(chǎng)維修的情況下，無法使用烘箱和熱壓罐只能使用熱補(bǔ)儀，因此熱補(bǔ)儀的固化效果與烘箱、熱壓罐固化效果的差異是關(guān)鍵問題。目前對(duì)于熱補(bǔ)儀成型和熱壓罐成型復(fù)合材料性能的對(duì)比研究較多［3、7-9］，對(duì)熱補(bǔ)儀和烘箱固化工藝對(duì)復(fù)合材料性能影響的研究較少。

本文對(duì)真空成型復(fù)合材料層壓板的固化工藝進(jìn)行研究，通過金相檢測(cè)對(duì)比了熱補(bǔ)儀和烘箱兩種不同工藝對(duì)單向帶和織物兩種真空成型復(fù)合材料的固化效果，并通過短梁剪切試驗(yàn)進(jìn)一步研究了兩種固化工藝對(duì)真空成型復(fù)合材料層壓板層間剪切性能的影響。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

（1）試驗(yàn)件材料

120 ℃固化碳纖維單向帶預(yù)浸料，GW300 2-3K-5-8/AC313，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司；

120 ℃固化碳纖維織物預(yù)浸料，GW3011-2-5-8/AC313，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司。

（2）主要設(shè)備

HEATCON HCS9200熱補(bǔ)儀，F(xiàn)RANCE ETUVES固化爐，金相顯微鏡，電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)。

2.2 層壓板試驗(yàn)件制備

真空成型復(fù)合材料層壓板試驗(yàn)件參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)件公差及其他要求符合ASTM D 2344。

2.2.1 固化曲線

采用熱補(bǔ)儀和烘箱兩種固化設(shè)備制作A和B兩種類型的試驗(yàn)件，熱補(bǔ)儀和烘箱成型的試驗(yàn)件均按圖1所示曲線固化成型。固化過程全程抽真空，真空度不低于-0.095 MPa，升溫速率和降溫速率均設(shè)定為1 ℃/min。為提高固化的均勻性，在固化曲線80 ℃的位置設(shè)置一個(gè)60 min的平臺(tái)，通過保溫的方式使熱量由高溫區(qū)域向低溫區(qū)域擴(kuò)散，降低固化過程中厚度方向上的溫度梯度，使溫度分布相對(duì)均勻。當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃時(shí)保溫120 min，隨后降溫，當(dāng)溫度降到50 ℃以下后卸壓。試驗(yàn)件真空成型固化曲線如圖1所示。

2.2.2 熱補(bǔ)儀固化

采用標(biāo)準(zhǔn)熱補(bǔ)儀封裝工藝進(jìn)行封裝，封裝示意如圖2所示。為減少電熱毯加熱過程中的熱量損失，在工裝下放置一塊隔熱墊，可以有效的將熱量保留在封裝內(nèi)部，減少了固化過程中產(chǎn)生的孔隙。

2.2.3 烘箱固化

采用標(biāo)準(zhǔn)烘箱封裝工藝進(jìn)行封裝，封裝示意如圖3所示。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 金相檢測(cè)

對(duì)熱補(bǔ)儀和烘箱固化后的層壓板進(jìn)行機(jī)械切割，采用金相顯微鏡觀察截面的微觀結(jié)構(gòu)并計(jì)算孔隙率。

2.3.2 力學(xué)性能測(cè)試

按照ASTM D 2344試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在溫度23 ℃±3 ℃、濕度50 %RH±10 %RH的環(huán)境條件下，對(duì)熱補(bǔ)儀和烘箱固化成型的碳纖維單向帶預(yù)浸料GW300 2-3K-5-8/AC313試驗(yàn)件和碳纖維織物預(yù)浸料GW3011-2-5-8/AC313試驗(yàn)件進(jìn)行短梁剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖4所示。

試驗(yàn)步驟如下：

（1）試驗(yàn)件狀態(tài)調(diào)節(jié)：試驗(yàn)前將試件在溫度為23 ℃±3 ℃，濕度為50 %RH±10 % RH的環(huán)境條件下至少放置24 h；

（2）測(cè)量試驗(yàn)件尺寸：測(cè)量并記錄試驗(yàn)件工作段內(nèi)3個(gè)不同位置的寬度和厚度，并計(jì)算平均值；

（3）試件安裝：調(diào)整試驗(yàn)夾具支座間的跨距，使得跨距與每組試件平均厚度之比為 4.0，精度為±0.3 mm。將試件放入試驗(yàn)夾具中，將試樣貼模面置于支座上，使其長(zhǎng)軸與加載頭和支座垂直，加載頭與兩側(cè)支座等距；

（4）按ASTM D 2344進(jìn)行試驗(yàn)，以1.0 mm/min 的加載速率對(duì)試驗(yàn)件施加壓縮載荷，當(dāng)載荷下降了超過最大載荷的30 %時(shí)，停止試驗(yàn)，記錄最大載荷和失效模式；

（5）層間剪切強(qiáng)度計(jì)算如公式（1）所示。

Fsbs=0.75×Pmaxwt（1）

式中，F(xiàn)sbs為層間剪切強(qiáng)度（MPa）；Pmax為最大載荷（N）；w為試驗(yàn)件工作段內(nèi)3個(gè)不同位置寬度的平均值（mm）；t為試驗(yàn)件工作段內(nèi)3個(gè)不同位置厚度的平均值（mm）。

3 結(jié)果與討論

3.1 金相檢測(cè)結(jié)果

材料GW300 2-3K-5-8/AC313采用熱補(bǔ)儀固化的試板切割截面如圖5（a）所示，采用烘箱固化的試板切割截面如圖5（b）所示。采用熱補(bǔ)儀和烘箱兩種工藝固化的單向帶層壓板的內(nèi)部質(zhì)量都很好，孔隙率均不到0.2 %，熱補(bǔ)儀固化單向帶層壓板的孔隙率為0.13 %，略高于烘箱固化單向帶層壓板的孔隙率0.11 %，可見烘箱固化單向帶層壓板產(chǎn)生的孔隙略少于熱補(bǔ)儀，但兩者的固化效果差異不大。

材料GW3011-2-5-8/AC313采用熱補(bǔ)儀固化的試板切割截面金相圖如圖6（a）所示，采用烘箱固化的試板切割截面金相圖如圖6（b）所示。采用熱補(bǔ)儀和烘箱兩種工藝固化的織物層壓板的內(nèi)部質(zhì)量良好，孔隙率均不到1 %，熱補(bǔ)儀固化織物層壓板的孔隙率為0.84 %，略高于烘箱固化織物層壓板的孔隙率0.7 %，可見烘箱固化織物層壓板產(chǎn)生的孔隙略少于熱補(bǔ)儀，但兩者的固化效果差異不大。

3.2 短梁剪切試驗(yàn)結(jié)果

真空成型復(fù)合材料的孔隙主要集中在樹脂層及界面區(qū)域，對(duì)于復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度影響較大［7，10］，因此為進(jìn)一步研究熱補(bǔ)儀和烘箱兩種固化工藝對(duì)真空成型復(fù)合材料層間剪切性能的影響，對(duì)單向帶和織物兩種材料的真空成型層壓板進(jìn)行了短梁剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。短梁剪切試驗(yàn)后試件出現(xiàn)目視可見損傷，試驗(yàn)件發(fā)生彎曲，靠近加載頭的表面發(fā)生壓縮破壞，屬于短梁剪切試驗(yàn)典型破壞模式。所有試件的破壞模式基本相同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用于復(fù)合材料性能的比較［11］。由表2可知，對(duì)于文中選用的單向帶和織物兩種真空成型復(fù)合材料，采用烘箱固化工藝的試驗(yàn)件的層間剪切強(qiáng)度略高于采用熱補(bǔ)儀固化工藝的試驗(yàn)件，織物的較為明顯，但兩種固化工藝的結(jié)果很接近。結(jié)合金相檢測(cè)結(jié)果，雖然熱補(bǔ)儀在固化過程中存在一定的溫度不均勻性，但仍可對(duì)單向帶和織物兩種真空成型復(fù)合材料起到很好的固化效果。

4 結(jié)語

（1）對(duì)于GW300 23K58/AC313和GW3011258/AC313兩種真空成型復(fù)合材料，熱補(bǔ)儀和烘箱固化成型的層壓板孔隙率差異不大，熱補(bǔ)儀成型層壓板的孔隙率略高于烘箱成型層壓板。

（2）對(duì)于兩種真空成型復(fù)合材料，熱補(bǔ)儀和烘箱成型層壓板的層間剪切性能十分接近，烘箱成型層壓板的層間剪切強(qiáng)度略高于熱補(bǔ)儀成型層壓板。

（3）結(jié)合金相檢測(cè)和短梁剪切試驗(yàn)結(jié)果，雖然熱補(bǔ)儀在固化過程中存在一定的溫度不均勻性，但采用增加固化曲線保溫平臺(tái)和增加隔熱墊等措施后，可對(duì)真空成型復(fù)合材料起到接近烘箱的固化效果。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］矯桂瓊， 賈普榮. 復(fù)合材料力學(xué)［M］. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2008.

［2］KEITH A．Civil aircraft composite structure repair technology［J］．Material Technology，1999，14（4）：198-210.

［3］楊龍英. 修補(bǔ)固化方式對(duì)樹脂基復(fù)合材料修補(bǔ)性能的影響研究［J］.塑料工業(yè)， 2015， 43（9）：83-86.

［4］王宇光，江璐霞，黎觀生，張慶茂，李黎. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理研究現(xiàn)狀［J］. 航空維修與工程，2003（3）：31-34.

［5］董柳杉，孫凱，孔嬌月，晏冬秀，劉衛(wèi)平. 大厚度復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)損傷的熱補(bǔ)儀修補(bǔ)工藝研究［J］. 航空維修與工程，2016（1）：69-72.

［6］田鶴. 樹脂基復(fù)合材料固化過程中的溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力分析［D］.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，2014.

［7］馬如飛，李嘉，桂佳俊，石峰暉，張寶艷. 真空成型與熱壓罐成型復(fù)合材料的性能對(duì)比［J］. 航空材料學(xué)報(bào)，2017（1）：99-103.

［8］龐傘傘，閻建華，俞建勇.增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)對(duì)縫合編織復(fù)合材料剪切性能影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.纖維復(fù)合材料，2015，32（1）：37-40+44.

［9］張揚(yáng)，王峰，張一川，趙子豪，魏剛. 中溫透波環(huán)氧樹脂/高強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料的性能研究［J］. 玻璃纖維，2022（1）：11-15.

［10］楊慧，劉興宇，史俊偉，程超. 孔隙率對(duì)復(fù)合材料層壓板層間剪切力學(xué)性能影響研究［J］. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2020（3）：1191-1195+1399.

［11］Cui W， Wisnom M R， Jones M. Effect of specimen size on interlaminar shear strength of unidirectional carbon fibre-epoxy［J］. Composites Engineering， 1994， 4（3）：299-307.