淺析硅橡膠軟模對復合材料界面韌性的影響

蔣金隆　王海雷

摘 要：硅橡膠類模具已在復合材料制件的成型中有所應用，但此類模具對復合材料制件的影響尚不明確，文章通過鋼琴鉸鏈法分別對硅橡膠軟模和剛性金屬模成型的復合材料制件進行了層間性能測試，并采用修正的梁理論方法計算了試驗件的層間斷裂能量釋放率，最后通過檢驗的方法推理得出采用硅橡膠軟模作為成型模具對復合材料零件的GⅠ影響不顯著。

關鍵詞：復合材料；硅橡膠模具；層間性能

當前，復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一，復合材料制造技術已成為各國研發的熱點。[1]復合材料產品的制造技術迥異于常規的金屬材料，復合材料的成型通常要在模具中完成，在新材料成型的同時，也完成了最終結構（毛坯）的成型。[2]模具技術是先進復合材料發展的重要技術保障。成型模具決定了復合材料零件的結構、尺寸，保證了零件與其他結構件的裝配關系，并且在很大程度上影響著制品的內部質量和表面狀態，這些都決定了成型模具在復合材料產品制造過程中起著舉足輕重的作用。

隨著模具技術的進步，復合材料成型模具的結構形式也趨于多樣化，如金屬框架式模具、膨脹或收縮模、金屬組合模具及復合材料模具等。現代先進復合材料結構設計基本特點是尺寸大、形狀復雜，強調整體性，對制造技術提出了更高的要求，一般的工藝方法難以適用，而硅橡膠軟模法（膨脹模）成型工藝便很好的解決的這一問題。此工藝是指復合材料預制體在閉合剛性陰模中通過軟質硅橡膠芯模的熱膨脹變形來實現對復合材料加壓固化的成型工藝方法。該方法也可用開放式陰模，硅橡膠軟模主要起均壓作用，固化壓力來源于外壓源。由于硅橡膠軟模有很好的變形能力，在某些多腔體結構中，能較好的克服了外壓難以傳遞均勻的缺點，具有不可替代的優點。[3]

盡管硅橡膠軟模法成型工藝已有所應用，但是作為一種高聚物模具，其在零件高溫固化過程中是否對零件產生其他方面的影響，目前尚不明確，相關研究十分少見。本文采用兩種固化工藝，即純剛性金屬模具固化成型工藝和硅橡膠軟模的固化成型工藝，分別制備了試驗件，并進行了單向纖維增強聚合物基復合材料Ⅰ型層間斷裂韌性的標準試驗，分析對比了兩種工藝成型的復合材料的界面韌性情況，可以為工程制造人員提供參考。

1 實驗描述

試驗件共分兩組，每組試驗件10件，試驗件具體信息見表1。試驗件尺寸如圖1所示，長度為180±0.5mm，寬度為25±0.5mm。在試件一端的中面鋪入聚四氟乙烯塑料薄膜或與之等效的薄膜得到預制裂紋，薄膜必須平整且不含脫模劑，厚度不得大于13μm。預制裂紋長度為63±0.5mm。

試驗采用鋼琴鉸鏈法，試驗件加載方式如圖2所示。典型微裂紋觀察情況如圖3所示，為了便于觀測，在測量長度前采用白色油漆筆將試樣兩側邊緣涂白，然后沿著試樣邊緣每間隔5mm做標記，并延伸到至少超過嵌入物尖端55mm，另外在開始的10mm和最后的5mm處每間隔1mm做標記。試驗過程中加載速率恒定為2mm/min，卸載速率恒定為10mm/min。試驗過程中，如果分層偏離試樣中面（預制裂紋面），則認為該試驗結果無效，并舍去該試樣數據。

2 實驗結果和分析

表2給出了硅橡膠軟模成型工藝（A組）和剛性金屬模成型工藝（B組）有效試驗件的I型層間斷裂能量釋放率的具體計算結果，其中，分層偏離試樣中面的試驗數據已舍去。

為準確分析兩種工藝所成型試驗件的層間韌性情況，實驗采用檢驗的方法來確定兩組數據是否存在顯著差異。在檢驗之前我們需要確定兩組數據的分布，我們假定兩組數據均服從正態分布，則A組：均值XA=0.351，方差SA=0.0437，B組：均值XB=0.351，方差SB=0.0249。

從以上數據分析可以看出，采用硅橡膠軟模和剛性金屬模兩種工藝所成型有效試樣的層間斷裂能量釋放率的方差和均值都不存在顯著差異，也即兩種工藝成型試驗件的GI差異不顯著。

3 結束語

采用硅橡膠軟模作為成型模具對復合材料零件的GI影響不顯著。硅橡膠軟模的使用很好的解決了復雜復合材料制件一次成型難度大的問題，還可以通過均勻加壓來提高復合材料零件的纖維體積含量，縮小孔隙率，同時方便脫模，對于提高復合材料產品質量，降低生產成本有很大幫助。為滿足某些復雜結構件的加壓要求，可以采用硅橡膠軟模代替剛性金屬模具來成型復合材料零件。硅橡膠軟模作為一種高聚物模具，受溫度和材料體系影響較大，其用于復合材料零件成型的評價體系尚不完善，所以實際生產中，若考慮大量使用此類模具，應首先對其成型的樣件進行準確測評后，再進行推廣。

參考文獻

[1]程文禮，梁憲珠，邱啟艷，等.大飛機復合材料結構制造和檢測技術[J].航空制造技術，2008，24：58-61.

[2]章令暉，李甲申，韓宇，等.復合材料成型模具研究進展[J].航天制造技術，2013，1：13-17.

[3]靳武剛.復合材料軟模法成型工藝研究與應用[J].通信與測控，2003，3：30-34.