層疊法制造復(fù)合材料制件分層原因分析及控制

　　摘要：本文全面分析了碳纖維/雙馬樹脂層疊法制造的復(fù)合材料制件在制造全過程中每一個環(huán)節(jié)可能引起分層的原因，并找出對應(yīng)的控制措施。
　　關(guān)鍵詞：層疊法 復(fù)合材料 分層 控制
　　中圖分類號：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　
　　1 前言
　　目前先進(jìn)的復(fù)合材料技術(shù)大量運用在武器裝備的制造中。軍代表在日常的質(zhì)量監(jiān)督和不合格品處理中發(fā)現(xiàn)層疊法制造的復(fù)合材料制件缺陷比較多。我們對QY8911/T300層疊法制造的近20000件復(fù)合材料制件的無損檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：分層、孔隙、氣孔、脫粘、富脂、貧膠是工程中最為常見的制造缺陷類型。據(jù)資料顯示，分層缺陷占了復(fù)合材料制件缺陷的近60％。在所有的缺陷中，最危險的內(nèi)部缺陷也許是分層，由一層層預(yù)浸料疊合而成的復(fù)合材料在不采用縫紉一類措施時，分層所引起的破壞是難免的[1]。顯然，分層會影響結(jié)構(gòu)的承載能力，嚴(yán)重時會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效。而引起分層的因素較多，幾乎每道工序環(huán)節(jié)都會影響最終產(chǎn)品的性能，已固化的熱固性樹脂復(fù)合材料，一旦質(zhì)量有問題，幾乎無法挽救。
　　為了避免這種損失，提高復(fù)合材料制件的質(zhì)量水平。本文對QY8911/T300濕法預(yù)浸料層疊法制造的復(fù)合材料制件從原材料到固化的整個制作過程的每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，旨在找出引起分層的原因，并制訂出相應(yīng)的控制措施，以降低復(fù)合材料制件的故障率。
　　２ 分層原因分析
　　2.1 樹脂原材料的工藝性
　　為使固化后的復(fù)合材料制件具有良好的性能，首先應(yīng)合理確定固化的溫度、壓力、時間等工藝參數(shù)，而這些參數(shù)主要取決于所選用的樹脂體系。
　　預(yù)浸料樹脂加壓時機(jī)不是固定的某一刻時間，而是一個時間段――加壓帶，在加壓帶內(nèi)加壓都可以滿足固化工藝的要求。較寬的加壓帶意味著在一定溫度范圍內(nèi)可以停留較長時間，使零件的每一幾何點都能平衡達(dá)到該溫度，這樣顯然更有利于零件的固化質(zhì)量。
　　圖2是QY8911/T300預(yù)浸料在(18～20)℃密封狀態(tài)下存放(1～4)周后于140℃時的凝膠時間圖，從圖中可以看出隨存放期的增加，凝膠時間縮短。存放兩周后樹脂凝膠時間仍有12min，但存放四周后就縮短至6min。
　　
　　
　　在實際生產(chǎn)中，樹脂入廠期一般為兩周，再經(jīng)過毛坯鋪疊及進(jìn)熱壓罐前的準(zhǔn)備后，樹脂的凝膠時間會有不同程度的縮短，相應(yīng)地加壓帶將變窄。如果零件在固化時已超過了最晚加壓時機(jī)，則加壓時樹脂的流動性已變得較差，所施加的壓力無法使基體樹脂均勻分布，層壓板的層與層之間無法完全貼合，層間結(jié)合薄弱，會造成大面積分層或者呈疏松狀態(tài)，嚴(yán)重影響零件的內(nèi)部質(zhì)量。
　　所以，應(yīng)盡量在樹脂加壓帶較寬時進(jìn)行生產(chǎn)。
　　2.2 加壓點的控制
　　 加壓時機(jī)是熱壓罐成型工藝的重要參數(shù)。加壓過早，復(fù)合材料毛坯中的樹脂流失造成貧膠；加壓過晚，樹脂凝膠過深，樹脂流動性太差，所施加的壓力無法壓實毛坯，疊層塊的層和層之間無法完全貼合，造成大面積分層，甚至呈疏松狀態(tài)。無論加壓過早或過遲，都嚴(yán)重影響制件的內(nèi)部質(zhì)量。因此，選擇合適的加壓時機(jī)對減少零件的分層缺陷是十分重要的。
　　2.3 工裝的熱分布和熱電偶的安放位置
　　 由于零件在熱壓罐內(nèi)的升溫?zé)崃恐饕獊碓从诠ぱb和罐溫，而罐溫的均勻性是經(jīng)過驗證的，所以工裝在熱壓罐內(nèi)安放位置會直接影響零件預(yù)吸膠和固化過程中的升溫速率。在工裝正式投入生產(chǎn)前必須先行測試其在熱壓罐內(nèi)的熱分布的均勻性，理論上，工裝熱容量較大的部位應(yīng)正對熱壓罐的罐門，以加快其升溫速率，提高零件的升溫均勻性。雖然樹脂黏度隨著溫度的升高不斷降低，但同時由于部份小分子鏈段產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)所需要的熱量較小，將提前發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，黏度不斷增加。因此到達(dá)加壓溫度時，由于樹脂凝膠過深，流動性太差，所施加的壓力無法使基體樹脂均勻分布，層壓板的層與層之間無法完全貼合，層間結(jié)合薄弱，會造成升溫速率過慢的部位分層或者呈疏松狀態(tài)，嚴(yán)重影響零件的內(nèi)部質(zhì)量。
　　2.4 軟模
　　2.4.1軟模硬度
　　我們選取某型機(jī)的某個零件，在其固化之后，測量零件所用固化軟模的硬度，發(fā)現(xiàn)無缺陷零件所用軟模的硬度略高于有分層零件所用的軟模硬度。
　　2.4.2軟模安放位置
　　軟模的安放應(yīng)完全貼合零件，否則同樣不能有效傳遞壓力。
　　2.5 鋪層操作
　　在零件毛坯的鋪疊過程中，每鋪疊一層都要輔助使用電吹風(fēng)或電熨斗將預(yù)浸料展開壓平，盡量除去層間的空氣。對于厚度較大的零件，在鋪疊過程中還應(yīng)該根據(jù)零件形狀和厚度等因素，適當(dāng)安排不同次數(shù)的抽真空處理，目的也是排出鋪疊過程中裹入的空氣及預(yù)浸料中的揮發(fā)份。否則若鋪層間殘留的空氣和其它小分子物較多，在零件固化之后就容易形成分層或疏松缺陷。
　　３ 結(jié)論
　　綜上所述，通過以下途徑可以降低復(fù)合材料的分層故障率：
　　3.1應(yīng)盡量減少膠液原材料的貯存和預(yù)浸料的常溫存放時間。
　　3.2選擇合適的加壓點。
　　3.3鋪疊及準(zhǔn)備時間應(yīng)盡量短；鋪疊過程中盡量不用溫度很高的電吹風(fēng)和電熨斗；預(yù)吸膠溫度不能過高，時間不能太長。
　　3.4提高工裝的熱均勻性，且將熱電偶安放在模具與毛坯之間。
　　3.5適當(dāng)提高軟模的硬度，并確保軟模的安放貼合零件。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究院編.《復(fù)合材料設(shè)計手冊》，航空工業(yè)出版社，1990年出版：39。