復合材料長桁共固化成型工藝研究

摘 要：復合材料長桁種類主要包括“工”字長桁；“T”字長桁；“Ω”長桁等。長桁制造工藝采“復合式鋪疊”，通過整體定位實現壁板及長桁共固化成型，各種長桁共固化成型完全采用數字化制造定位蓋板，制造工藝上完全實現數字化在復合材料成型上的應用，使用該成型工藝保證壁板的成型質量及輪廓尺寸；長桁內部及外觀質量；長桁行位公差有標志性的提高；整體構件質量。

關鍵詞：長桁 整體成型 數字化蓋板 共固化

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-0-02

該文描述熱固性復合材料壁板類零件共固化成型工藝，長桁截面種類包括“工”字長桁；“T”字長桁；“Ω”長桁的成型工藝，采用新成型工藝解決在制造中出現質量問題，提高零件的成型質量及工作效率。復合材料壁板類零件制造采用長桁與蒙皮整體共固化成型工藝，輔以復合材料數字化制造工藝蓋板，實現復合材料壁板類零件的整體成型。

1 制造用材料描述

1.1 材料描述

零件試驗制造選用材料為cytec生產的環氧樹脂基預浸料，選擇材料為高溫固化、高增韌環氧樹脂基干法預浸料。碳纖維增強體是賦予復合材料制件的高強度和高模量等力學性能的關鍵因素。本預浸料是高強度碳纖維，纖維拉伸強度為5.59 GPa，拉伸模量為294 GPa，延伸率為1.9%，該材料已在多種機型上廣泛

應用。

1.2 基體材料描述

復合材料基體材料在制件中是關鍵作用，（1）將增強體粘接成整體；（2）在纖維之間起傳遞載荷，并使載荷均勻；（3）保護纖維，防止纖維受損。復合材料的多數性能與基體材料密切相關，復合材料的耐熱性、耐腐蝕性、阻燃性、抗輻射、耐溶劑性、吸濕及相關工藝性能都取決于基體材料。復合材料制件的成型工藝及固化參數都取決于基體材料。一般典型環氧樹脂基體黏度曲線如圖1所示，一般在77 ℃左右數值黏度達到最低，數值流動性最高。環氧數值在固化過程中通過化學反應交聯成為三維網狀結構。單純的環氧數值固化后物性脆，制件CAI值很差，因此選用基體材料做增韌處理，該文涉及材料全部進行了高增韌處理。

1.3 環氧樹脂性質

環氧樹脂是指分子中含有兩個或兩個以上環氧基，以脂肪族或芳香族有機化合物為骨骼并通過環氧基團反應能形成有用的熱固性產物的高分子低聚體。環氧樹脂及固化物的性能相似。

1.3.1 環氧樹脂固化

環氧樹脂含有伸張的三元環，非常容易和各種交聯劑反應。固化樹脂的性能不僅依賴于環氧樹脂的結構，同時也依賴于固化劑的類型和用量，利用固化劑中的某些基團與環氧樹脂中的環氧基或羥基發生反應來實現的。環氧樹脂體系的固化速度有固化劑類型和用量、固化條件所決定。

1.3.2 環氧樹脂結構與性能

環氧樹脂實際上是含有不同聚合度分子的混合物，且部分分子可能支化，以及極少部分終止的基團是氯醇基團，因此，環氧樹脂的環氧基含量、氯含量和分子質量分布等對樹脂的固化及固化物性能有很大影響。環氧樹脂的性能除與合成條件有關外，主要取決于分子結構，環氧樹脂中的縮水甘油基團是柔性鏈段，可以降低樹脂的黏度，提高工藝性能，但同時降低了固化樹脂的耐熱性。

1.3.3 環氧樹脂增韌

環氧樹脂最大的弱點是韌性差，固化后環氧樹脂性脆，耐沖擊性較差，容易開裂。因此用于高性能復合材料需要對其進行改性，主要途徑有以下幾種。

用彈性體、熱塑性樹脂或剛性顆粒等第二相來增韌。

用熱塑性樹脂連續地貫穿于熱固性樹脂中形成互穿網絡來增韌改性。

通過改變交聯網絡的化學結構以提高網鏈分子的活性能力來增韌。

有控制分子交聯狀態的不均勻性來形成有利于塑性形變的非均勻結構來實現

增韌。

1.4 環氧樹脂體系化學流變特性分析

1.4.1 動態黏度分析

某型號環氧樹脂體系動態黏度測量曲線如圖1所示。該樹脂體系在90 ℃以下，樹脂體系黏度最低，因此在制造工藝上需根據樹脂的測量報告作出相應的工藝調整。

2 復合材料壁板類零件成型工藝參數分析

影響復合材料成型工藝的參數包括溫度、壓力、時間等要素。固化溫度高低影響樹脂與固化劑的反應活性，對于環氧樹脂，固化一般是以固化劑為中心，反應由中心以輻射狀向四周發展，形成兩項球粒的固化網絡結構。從力學性能角度環氧樹脂在固化過程中分為四種狀態：未凝膠玻璃態、黏流態、高彈態、凝膠后玻璃態。整個過程分為四個階段：從未凝膠玻璃態到黏流態；從黏流態到凝膠點；從凝膠點經高彈態到凝膠后玻璃態；凝膠后玻璃態內的固化反應。其中，當黏流態到凝膠點轉變時，樹脂開始成為一個支化的巨大網絡分子，但未完全交聯，仍有部分鏈段可以滑移。而當高彈態到凝膠后玻璃態轉變時，樹脂已成為體型結構，鏈段運動被凍結。因此坯料在熱壓罐中固化，固化速率過快固化劑被包圍無法與較遠的大分子團反應，導致結構不均勻，網絡交聯密度相差較大，內應力大。因此選擇合適的溫度速率固化尤為重要。

3 復合材料長桁結構描述

國內飛機復合材料構件主要應用于飛機尾翼、機身、舵面、整流罩、裝飾等，在壁板制造上多采用復合材料壁板長桁結構，用以提高壁板整體彎曲、拉伸能力及穩定性。由于增強纖維復合材料屬各向異性，長桁設計采取復合材料力學耦合設計，采用0 °、±45 °、90 °鋪層組合，設計出滿足載荷需求對稱結構。

3.1 復合材料“工”長桁結構描述

“工”字長桁是由上翻邊、臥邊及左右立邊構成，保證鋪層對稱耦合，長桁與面板泊松比匹配等要求。根據零件承載不同，長桁鋪層角度比例合理。具體如圖2所示。

3.2 復合材料“T”字長桁描述

“T”字長桁是由左、右立邊及下臥邊構成。具體結構如圖3。

復合材料“Ω”長桁描述

“Ω”長桁結構是相對結構重量輕、總體結構穩定、固化內應力和翹曲變形最小，適于整體共固化成型。結構示意圖如圖4。

4 復合材料長桁工裝描述

4.1 復合材料“工”字長桁工裝改進

一般“工”字形長桁的工裝為組合式工裝，分為左成型模、右成型模與上檔條，如圖5。壁板、長桁工裝材料采用與復合材料熱膨脹系數相匹配的材料制造，蓋板采用復合材料。成型工裝、長桁工裝、定位蓋板采用數控加工制造，定位蓋板與成型工裝采用定位銷連接，保證數字化傳遞的準確性。在長桁工裝兩側增加定位耳片，保證長桁臥邊質量。

4.2 復合材料“T”字長桁工裝改進

“T”字形長桁的工裝為組合式工裝，分為左成型模、右成型模與上限位塊，如圖6。工裝材料采用與復合材料熱膨脹系數相匹配的材料制造。上限位塊主要是控制長桁立邊厚度及成型偏差。在長桁工裝兩端面預留臺階便于脫模。

4.3 長桁0 °纖維填充工裝

長桁0 °纖維填充工裝針對長桁不同R角設計的填充工裝，保證中間空隙填充致密及纖維方向。具體工裝形式如圖7。

5 整體固化成型

整體化結構是最近幾年人們才提出的一種設計理念。所謂整體化結構就是指結構在設計制造時盡量采用一次成型的技術取代由零部件經緊固件進行連接組合而形成的整體結構。整體化結構一般分共固化、膠結共固化、二次膠結三種方式。共固化就是指坯料1和坯料2固化形成的整體結構件。長桁定位采用數控加工蓋板，保證數字化傳遞的準確性，又能保證零件的輪廓尺寸和成型質量。

壁板共固化具體工藝流程如下：

在膠接前完成長桁和壁板預浸料的鋪疊并分別進行預壓實處理；清理膠接表面的污染。

按數模精確定位長桁。

控制固化參數，完成膠黏劑及樹脂基體的固化交聯反應。

總體流程圖如圖8所示。

6 熱壓罐整體成型技術

熱壓罐成型工藝具有罐內的加熱溫度及固化壓力分布均勻，構件的幾何形狀幾乎沒有限制，適用范圍廣的特點。與液體整體化成型工藝相比，熱壓罐工藝可以成型樹脂基體粘度高、高纖維體積分數、需要高溫高壓工藝條件的整體化結構件。熱壓罐內循環流動的加熱（或冷卻）氣體使罐內各點氣體溫度基本相同，在模具結構合理的前提下，可保證密封在模具上的復合材料構件升降溫過程中各點溫差較小。同時，因為用壓縮空氣、惰性氣體或二者的混合氣體向熱壓罐內充氣加壓，作用在真空帶表面上的壓力相同，使真空帶內的構件在幾乎均勻的壓力下成型、固化。熱壓罐成型工藝所用的固化模具相對比較簡單，效率高，適合大面積復雜型面的蒙皮、壁板和殼體的成型。可以成型或膠接各種飛機構件。

若熱壓罐尺寸大，一次可放置多層模具，同時成型或膠接各種較復雜的結構及不同尺寸的構件。熱壓罐的溫度和壓力條件幾乎能滿足所有聚合物基復合材料的成型工藝要求，包括低溫成型的聚酯基復合材料，高溫和高壓成型的PEEK復合材料，以及RFI等工藝的成型。熱壓罐制造出的構件孔隙率較低，樹脂含量均勻，構件力學性能穩定、可靠。

7 結語

（1）該文通過改進長桁工裝的形式，解決加筋壁板的制造難題。（2）解決蓋板的精確制造及加工，保證數字化傳遞的準確性，解決加筋壁板共固化過程中的精確定位。（3）分析了環氧樹脂基本工藝性能，針對長桁整體成型的特點，選擇合理固化參數。（4）解決復合材料共固化長桁及組合工裝上的典型問題。

參考文獻

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[2]益小蘇.先進樹脂基復合材料高性能化理論與實踐[M].國防工業出版社，2011.

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