面板增強中空復合材料構件微波成形工藝

袁鐵軍　周來水　鄭偉峰　譚昌柏

1.南京航空航天大學， 南京, 210016　　2.鹽城工學院， 鹽城, 224051

面板增強中空復合材料構件微波成形工藝

袁鐵軍1,2周來水1鄭偉峰1譚昌柏1

1.南京航空航天大學， 南京, 2100162.鹽城工學院， 鹽城, 224051

摘要：針對面板增強中空復合材料構件在復合成形時存在的耗費時間較長及難以保證大高度芯柱直立性的問題,提出了能夠保證大高度芯柱直立性的鋪放成形工藝并設計了用于該成形工藝的芯模,設計了包含使用高導熱透波芯模、施加合適固化壓力、采用多層異種材質模具、采用定制微波爐、采用多個升溫速率這5個措施的微波加熱固化方式。利用上述成形工藝制造實驗樣件,并測試了樣件的力學性能，其中平壓強度、剪切強度、彎曲剛度和平拉強度分別為2.2 MPa、0.60 MPa、20.0 N·m2、3.3 MPa。制造規格為30 cm×14.5 cm的樣件能耗約2028 kJ。實驗結果表明所提出的成形工藝能高效低能耗制造出芯柱直立性和綜合力學性能較好的面板增強中空復合材料構件。

關鍵詞：整體中空復合材料; 陶瓷芯模; 微波共固化; 力學性能; 壓力固化

0引言

三維整體中空復合材料是一種新型的夾芯結構復合材料,該材料的預織體(中空織物)可由多種纖維進行織造而制成,通過Z向纖維整體連接織物的上下層面形成三明治結構。中空復合材料較普通實心復合材料擁有質量小，比強度高，隔音、隔熱效果好及制備簡單等優勢,已用于軌道交通、建筑、風電、化工、航空航天等領域,市場應用前景非常廣闊,常見產品有高鐵導流罩。為擴大中空復合材料在商用車地板、側壁結構等處的結構性應用,在三維整體中空復合材料上下面板上分別鋪放額外的增強面板,被稱為面板增強的三維中空復合材料構件。面板增強能有效改善三維中空復合材料的承載能力[1-7]，因此很有必要關注面板增強三維中空復合材料構件的制造技術。目前，為防止增強面板的重量影響三維中空復合材料的芯柱直立性而影響力學性能,采用先固化中空復合材料后固化增強面板的兩次固化技術,往往需要多達24h的時間[8]。但是對于芯柱大于8mm的中空復合材料構件,還必須采取特殊的復合和固化措施,才能保證芯柱的直立性[9]。所以如何高效地制造出具有較好直立性和力學性能的面板增強三維中空復合材料構件是值得研究的問題。本文針對該類構件的微波復合成形工藝開展實驗，驗證該工藝的有效性。

1微波復合成形工藝

1.1保持芯柱直立性的鋪放成形工藝

1.1.1鋪放成形步驟

面板增強中空復合材料構件的鋪放成形步驟如下:①將中空織物和用于額外面板的平紋布裁剪成合適的尺寸。②將一平板鋼化玻璃作為鋪層模具,在模具上先涂上脫模劑，刮平，鋪放一層脫模布,將已配制完成的膠液刷于脫模布上,用刷子把膠液均勻鋪開至織物大?。粚⑾旅姘逶鰪娖郊y織物平鋪于已附著膠液的區域，用輥子壓實織物直到膠液基本滲入纖維，重復鋪放平紋布和刷膠,直至達到設定的鋪放層數；在模具上其他地方鋪放中空織物并在中空織物上均勻刷膠,用刮板刮勻樹脂,將中空織物翻轉鋪放在已經浸漬的下增強面板鋪層上；在中空織物上刷膠并擠壓以確保膠液浸透織物的芯柱,在其上繼續逐層鋪放上面板增強織物并浸漬樹脂。整個過程需要保證對面層、芯層的充分浸潤，保證復合材料平整光滑，更重要的是要保證上下面層樹脂含量的對稱平衡。③將準備好的陶瓷芯模沿著緯向逐個插入面板增強中空復合材料織物的間隔中。④在構件的上下側分別鋪放透氣氈和吸膠氈,并將整體轉移到真空袋里面,抽真空去除空氣,打開真空袋后,去除上面的透氣氈和吸膠氈,去除多余的樹脂。⑤對構件進行加壓,保證增強面板層與中空夾芯層緊密貼合。

1.1.2鋪放成形用芯模設計

為保證芯柱的直立性,芯模高度必須根據中空構件芯柱的高度來定制,芯柱的寬度須小于芯柱間隔,芯模長度必須大于構件的緯向尺寸。芯模棱邊須倒圓角防止割傷纖維。為提高插入芯模的效率，芯模必須帶有錐形導引頭。為保證芯模的高效移除，插入中空織物時確保芯模兩端完全露在構件外面，芯模外表必須裹上涂有甲基硅油的帶膠聚四氟布。為減少對樹脂吸收微波熱的影響,芯模材料使用高透波高導熱陶瓷。該陶瓷能承受一定的壓力,從而保證對構件進行加壓。芯模的數量必須足以保證芯模陶瓷均勻插入每一個間隔中,否則會導致構件的不平整或者分層,如圖1所示。

圖1　填充陶瓷芯模的中空復合材料構件

1.2微波固化方式設計

面板增強中空復合材料構件由于其獨特的中空結構,不同方向的熱阻差別很大,在厚度方向具有較大的熱阻,是良好的隔熱材料,但在固化過程中反而不利于熱量交換實現均勻固化。為防止該類構件固化時出現局部熱失控,不能均勻固化,設計了協同應用以下5種措施的固化方式來保證固化質量。

1.2.1采用高導熱透波芯模

采用高導熱透波陶瓷均勻插入整個中空復合材料,使得中空復合材料構件上下面板中的熱量能夠通過導熱陶瓷進行交換,實現構件的厚度方向及平面方向溫度場的均衡，保持固化的均勻性。導熱陶瓷的高透波特性確保陶瓷芯模盡可能少地吸收微波能，從而減小對構件內部的電場強度和有效介電損耗系數均勻性的影響，以充分發揮導熱陶瓷的均熱功能。

1.2.2施加合適固化壓力

在使用導熱透波陶瓷輔助固化的基礎上,對中空復合材料構件施加較大的固化壓力以減小層間界面的距離從而降低厚度方向的熱阻,以改善面板增強中空復合材料構件的厚度方向溫度場,提高固化均勻性。加壓方式可以用抽真空加壓,也可以通過其他方式獲得更高的壓力,比如微波爐內通入高壓氮氣。

1.2.3采用多層異種材質模具

設計了4層不同材料組成的模具,第一層是厚度不超過0.5mm的透波高導熱性陶瓷,起著提高構件平面方向熱交換能力,均衡構件溫度場的作用,但這一層材料的尺寸大小須與構件的輪廓尺寸一致。第二層是聚四氟乙烯，材料厚度不超過0.5mm,起著透波保溫的效果。第三層是厚度不小于10mm的高透波高硼硅鋼化玻璃,能承受較高壓力并耐急冷急熱,熱變形很小。第四層是聚四氟乙烯材料，厚度不超過0.5mm,起著透波保溫的效果。使用該模具不僅能夠很好地均衡構件的溫度場,保證構件均勻固化,而且由于模具的熱膨脹系數極小,可以減小構件的固化變形,從而提高構件的固化質量。該模具良好的保溫效果減少了向空氣散失的熱量,降低了微波爐的功率消耗。

1.2.4采用定制的微波爐

為改善復合材料吸收微波熱的均勻性,設計并制造了高質量的帶旋轉托盤的正多邊形型腔微波爐,如圖2所示,以保證微波型腔內場強盡可能均勻。復合材料構件在接收微波輻射時處于均勻旋轉狀態,盡可能保證一定時間段內所接收場強的均勻。

圖2　微波爐腔

1.2.5采用多個升溫速率溫度曲線

采用由多個不同升溫速率溫度曲線段組成的固化周期來固化構件,固化開始前的溫度曲線采用較快的升溫速率,而固化開始后的溫度曲線采用較慢的升溫速率,在固化開始前和固化過程中分別增加幾個恒溫段,增加構件內部溫度場的均化時間,從而保證構件均勻固化。

1.3微波固化面板增強中空復合材料構件

將面板增強復合材料按照上文所設計的固化方式進行固化。在爐內構件表面冷卻到70℃后,從爐腔中取出構件,立即用橡膠錘輕敲芯模的端部,使芯模與構件分離,然后用工具將芯模頂出復合材料。

2實驗驗證

2.1樣件制備原材料

樹脂體系:樹脂選用環氧E51(無錫樹脂廠),固化劑采用4,4′-二氨基二苯砜(DDS)。樹脂基體選用質量比為70∶30的環氧樹脂與固化劑混合物。本實驗用的E-glass中空織物由中材科技股份有限公司提供,具體參數見表1。

表1　三維中空織物的結構參數

E-glass平紋編織布由常州廣潤玻纖產品有限公司提供,碳?；祀s纖維平紋編織布(CGP033002503K)由中碳科技有限公司提供,碳、玻璃混雜比為1。芯模是由宜興大麥陶瓷研究所提供的氧化鋁陶瓷條(純度為99%)。

2.2樹脂固化溫度曲線及樣件的制備

將織物裁剪成經向30cm、緯向14.5cm的規格,面板增強織物為3層(玻璃纖維/碳玻纖維/玻璃纖維)。樹脂體系與纖維織物的質量比為7∶5。對樹脂體系抽真空防止將空氣帶入到復合材料中。

取適量的樹脂樣本用5種不同升溫速率做DSC(差示掃描量熱法)測試,根據實驗數據采用T-β外推法預測固化溫度[10]。經過實驗驗證并微調后確定合適的固化溫度時間曲線,如圖3所示。

圖3　固化溫度-時間曲線

完全基于本文提出的微波復合成形工藝制造一組樣件(樣件1),采用抽真空加壓方式,壓力為0.09MPa。另外一組樣件(樣件2)參照本文提出的復合成形工藝制造但不使用陶瓷芯模,采用抽真空加壓方式,壓力為0.06MPa。兩組樣件采用相同的原料和鋪放方式，樣件成形尺寸30cm×14.5cm。兩組樣件在固化時始終位于模具的中心位置，模具與旋轉托盤保持相對固定的位置，保證所有樣件在固化時接受的微波輻射保持一致。

2.3力學性能測試

樣件的平壓強度、剪切強度、彎曲剛度及平拉強度分別參照GB/T1453-2005、GB/T1455-2005、GB/T1456-2005、GB/T1452-2005來進行測試。任何一種測試用樣件規格是根據測試標準和CMT550型萬能試驗機的要求來確定的。每種性能測試實驗件數量不小于5件。平壓、平拉實驗試件規格為60mm×60mm,剪切實驗試件規格為150mm×60mm,彎曲剛度實驗試件規格為260mm×60mm,跨距為120mm,外伸臂長度為60mm。在所有測試實驗中,加載速度為0.5mm/min。

3實驗結果及分析

3.1外觀質量

圖4　不同樣件的緯向表面

樣件1平均厚度為6.56mm，樣件2平均厚度為5.50mm。從圖4中可以明顯看出樣件1的芯柱具有更好的直立性,滿足了芯柱與面板成80°～90°角的要求,陶瓷芯模發揮了重要的支撐作用。

從圖5中可以明顯看出樣件1具有更好的表面質量，表明增加的壓力和導熱芯模的使用改善了固化均勻性。

圖5　不同樣件的表面

3.2力學性能

3.2.1平壓強度

圖6a顯示樣件1有更好的平壓性能,從比強度來看改善效果很明顯,因為樣件1的芯柱具有更好的直立性。樣件1的芯柱直接斷裂，而樣件2的芯柱先傾斜然后在芯柱端部發生斷裂，如圖6b、圖6c所示。

(a)平壓應力-應變曲線

(b)經向斷裂形態

(c)緯向斷裂形態圖6　樣件的平壓測試

3.2.2剪切強度

如圖7所示，樣件1具有較低的剪切強度,因為陶瓷芯模不僅增大了樣件芯柱的高度也增大了樹脂在重力作用下沿著陶瓷向下流淌的機會,導致芯柱的含膠量下降(采用化學腐蝕法測得樣件1芯柱的塑膠質量分數為37%，樣件2芯柱的塑膠質量分數為40%)，兩因素的疊加直接導致剪切強度下降。兩種樣件的失效都是芯材根部與面板連接處斷裂。

圖7　剪切應力-應變曲線

3.2.3平拉強度

如圖8a所示，樣件1擁有更高的平拉強度,原因是陶瓷芯模有助于樣件1在固化過程中承受更高的壓力,提高了樣件1中增強面板的抗分層能力，使得平拉強度取決于中空復合材料芯柱的強度。樣件1的失效形式為芯柱的斷裂，樣件2的失效形式為增強面板的層間分層，如圖8b所示。

(a)平拉應力-應變曲線

(b)失效形式圖8　樣件的平拉測試

3.2.4彎曲剛度

如圖9a所示，樣件1有更高的彎曲剛度,因為樣件1的芯柱較高,彎曲剛度隨芯柱高度的增大而增大。兩種樣件的上面板都受擠壓破壞,破壞發生在靠近載荷中心線處的上面板處，增強面板與中空芯材之間有明顯的分層，樣件1比樣件2具有較小的破壞區域，如圖9b、圖9c所示。

(a)載荷與跨中撓度曲線

(b)表面失效形態

(c)側面失效形態圖9　樣件的彎曲測試

從表2的數據來看,樣件1具有更好的綜合力學性能,這表明陶瓷芯模對固化質量的改善發揮了重要作用。

中空復合材料的主要結構參數芯柱高度和芯柱密度對構件力學性能的影響很明顯[9，11]。平拉強度與固化壓力大小有關。制作樣件中的樹脂含量、分布均勻性及面板材料也影響樣件的力學性能[12]。因此可以認為如果選擇合適的中空織物的結構參數、面板材料及優化的固化工藝參數,采用微波復合成形工藝完全可以制造具有更好力學性能的構件,從而滿足更廣泛工程需求。

表2　樣件的力學特性

3.3能耗

根據微波爐上儀表記錄的瞬時功率值及固化時間可計算出固化中空復合材料樣件1、2的平均電能消耗量,分別為2028kJ、2400kJ。樣件1能耗更低的主要原因是陶瓷芯模去除了中空復合材料的大部分空氣,這導致了較少的對流熱損失。氧化鋁陶瓷的質量熱容(780J/(kg·℃))比空氣的質量熱容(1012J/(kg·℃))小,也是固化樣件1所需能耗較低的另一個原因。

3.4固化時間

本文所提固化工藝采用增強面板與中空復合材料同時固化，與傳統的先固化中空復合材料，然后在中空復合材料上鋪放增強面板，再進行固化的方式相比，同樣的材料由于只需要在爐子里固化一次，所以顯然節省了不少固化時間。

4結論

(1)微波能夠以共固化方式高效低能耗固化面板增強中空復合材料構件,與分兩次的膠接固化方式相比,固化所需時間顯然較短。

(2)與不使用芯模相比,透波導熱芯模不僅保證了面板增強中空復合材料構件芯柱的直立性，還使構件能在較高壓力下均勻共固化,改善了綜合力學性能,進一步降低了固化能耗,對芯柱高于8mm的中空復合材料,效果尤為明顯。

(3)利用微波復合成形工藝可以制得綜合力學性能較好的面板增強中空復合材料構件,如果施加合適的固化壓力,選擇合適的結構參數,有望獲得更好的力學性能, 值得未來開展進一步研究。

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(編輯王艷麗)

MicrowaveMoldingProcessforFacesheet-reinforcedSpacerFabricCompositeComponent

YuanTiejun1,2ZhouLaishui1ZhengWeifeng1TanChangbai1

1.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing,2100162.YanchengInstituteofTechnology,Yancheng，Jiangsu， 224051

Abstract：In order to solve the problems of excessive consumption time and difficulty keeping high piles vertical in facesheet-reinforced 3-D spacer fabric composites component(FSFCC) molding process, laying process keeping high piles vertical was presented. Core molds used in above-mentioned laying process were designed. The special curing method composed of five measures with microwave heating was designed. These measures were as follows: using high thermal conductive and wave-transparent core molds; applying proper curing pressure; using multi-layer dissimilar material mold;using customized microwave oven;adopting multiple ramp rate. FSFCC samples were made on the basis of the molding process. Mechanics properties of experimental FSFCC samples were tested. Flexural stiffness, flatwise compressive strength, flatwise tensile strength and tensile shear strength are 20.0N·m2, 2.2MPa,3.3MPa and 0.60MPa respectively. Making one specimen with size of 30cm×14.5cm only cost 2028 kJ power. So conclusion can be drawn from experimental results that molding process presented herein can be used to make FSFCC with vertical high piles and good mechanics properties at the cost of less energy efficiently.

Key words：hollow integrated sandwich composite; ceramic core mold; microwave co-curing; mechanics property; curing under pressure

收稿日期：2015-08-06

基金項目：江蘇省科技計劃資助項目(BY2015057-22)

中圖分類號：TH162

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.021

作者簡介：袁鐵軍，男，1975年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生，鹽城工學院機械工程學院、優集學院副教授。主要研究方向為復合材料構件的成形加工技術。 周來水，男，1962年生。南京航空航天大學機電學院教授、博士研究生導師。鄭偉峰， 男，1976年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生。譚昌柏，男，1977年生。南京航空航天大學機電學院副教授。