復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)表面疏松缺陷研究

劉東輝 李仁鵬

（中航工業(yè)通飛研究院有限公司，珠海 519040）

復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)表面疏松缺陷研究

劉東輝 李仁鵬

（中航工業(yè)通飛研究院有限公司，珠海 519040）

近年來，民用航空器上的復(fù)合材料應(yīng)用比例越來越高，而夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以大幅提高結(jié)構(gòu)性能，實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化。夾芯結(jié)構(gòu)由于需混合使用多種性能的材料，因而對結(jié)構(gòu)設(shè)計和成型工藝提出了更高的要求。從實際應(yīng)用中遇到的零件表面疏松缺陷問題入手，對泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中用到的不同的性能材料進行了研究，提出了優(yōu)化復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)的方法。

復(fù)合材料，疏松

近年來，復(fù)合材料在飛機等民用航空器上的應(yīng)用受到了廣泛重視，逐步從主要應(yīng)用于非承力部件發(fā)展到全機應(yīng)用的水平。例如，意大利馬基M346教練機中復(fù)合材料的用量達到了機體結(jié)構(gòu)重量的20%；空客A380飛機中的復(fù)合材料用量占到了機體結(jié)構(gòu)重量的25%；波音787中復(fù)合材料的用量占比達到50%，遠超過鋁所占的20%；空客A350XWB寬體客機中復(fù)合材料的用量占比也達到了50%以上；而美國X-45C無人戰(zhàn)斗機中復(fù)合材料的用量占比超過了90%。

復(fù)合材料夾芯板由復(fù)合材料面板和芯材組成，是一種典型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)具有密度小、剛性大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、減震性能好等特點。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)形式在現(xiàn)代飛機復(fù)合材料構(gòu)件中的應(yīng)用越來越受到重視。夾芯結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)多種不同性能特點的材料的復(fù)合，對結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。

1 復(fù)合材料疏松產(chǎn)生的原因

疏松是復(fù)合材料缺陷的一種主要形式，是由大量的氣孔和孔隙導(dǎo)致的。其中，氣孔即復(fù)合材料中存在少量空氣或微小的氣泡，這些空氣和氣泡有在層間聚集的趨勢。氣孔通常由以下兩個因素造成：一是固化過程中的模具不匹配，導(dǎo)致沿構(gòu)件表面的壓力分布不均，在樹脂無法充填的區(qū)域形成缺陷；二是高揮發(fā)性樹脂和短固化周期的聯(lián)合作用，如果揮發(fā)物不能在樹脂固化前釋放，就會形成氣孔，而有時孔隙也可以由樹脂吸濕形成。孔隙是固體材料給定區(qū)域內(nèi)空氣或氣體微泡的狀態(tài)，通常由于樹脂流動不完全和局部過熱或樹脂污染引起。復(fù)合材料的材料力學(xué)特性隨孔隙含量的增大而降低。

2 產(chǎn)生疏松的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

本文以碳纖維預(yù)浸料PVC（聚氯乙烯）泡沫夾芯結(jié)構(gòu)為例，研究產(chǎn)生的復(fù)合材料疏松缺陷情況。研究表明，碳纖維預(yù)浸料PVC泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中的疏松缺陷產(chǎn)生在靠近模具一側(cè)的零件表面。

3 疏松產(chǎn)生的原因分析

按照以下步驟分析疏松缺陷產(chǎn)生的原因：

（1）對模具進行檢查、對材料的存放管理進行檢查，排除模具和材料存放管理的問題。

（2）針對零件內(nèi)外表面質(zhì)量的差異，考察固化過程中是否存在局部過熱問題。以1.2℉/min～1.4℉/min的速率進行加熱，結(jié)果表明，零件上、下表面僅在冷卻時出現(xiàn)最大8℉～10℉的溫度差，如圖1所示，不會造成零件質(zhì)量差異。

圖1 零件上、下表面溫度曲線

（3）對固化過程中氣體產(chǎn)生的原因進行考察。由于該碳纖維預(yù)浸料PVC泡沫夾芯結(jié)構(gòu)由預(yù)浸料和泡沫組成，因此，預(yù)浸料中的樹脂可能會產(chǎn)生揮發(fā)物，泡沫也可能會產(chǎn)生揮發(fā)物，此外，表面缺膠可能會造成針孔。針對以上可能的原因，設(shè)計了一套試驗進行排除、篩選，以達到有針對性地對產(chǎn)生氣體的原因進行分析的目的。

4 試驗分析

4.1 試驗設(shè)計

設(shè)計如圖2所示的試驗件：

（1）在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加一層膠膜，以提高結(jié)構(gòu)的樹脂含量。

（2）在零件與模具面之間增加一層脫模布，以促進模具面的樹脂排氣。

圖2 零件表面疏松氣源測試試驗件

（3）在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加一層快干膠，減少泡沫與預(yù)浸料的揮發(fā)物間的干擾。

（4）在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加隔離膜，將泡沫與預(yù)浸料隔離，避免泡沫與預(yù)浸料的揮發(fā)物間的干擾。

4.2 試驗結(jié)果

按規(guī)劃生產(chǎn)試驗件，結(jié)果如圖3和圖4所示。試驗結(jié)果表明，原零件鋪層形式表面質(zhì)量很差；膠膜區(qū)域略有改善；脫模布區(qū)域基本沒有變化；快干膠區(qū)域略有改善；隔離膜區(qū)域表面質(zhì)量改善顯著。

4.3 試驗結(jié)果分析

由試驗結(jié)果可以看出，增加零件表面的樹脂含量，零件表面質(zhì)量僅略有改善，這說明造成表面疏松缺陷的原因并不是缺膠。在靠模面增加脫模布改善零件表面排氣能力，并不能改善零件表面質(zhì)量。而在泡沫與層壓板之間增加隔離膜，將泡沫與層壓板的環(huán)境隔離后，零件表面質(zhì)量顯著改善。這說明，層壓板在成型過程中的排氣是沒有問題的，而多余的氣體是泡沫排放的，而且不能夠完全排出。同時，快干膠區(qū)域也對零件表面質(zhì)量具有一定的改善作用，這是因為快干膠在固化初期固化，對泡沫與層壓板具有一定的隔絕效果。

綜上所述，泡沫在零件成型過程中會排出氣體，泡沫排出的氣體不能通過表面層壓板排出。同時，零件采用的固化曲線為二級固化曲線（零件升溫到第一個平臺后保溫，使樹脂充分流動浸潤排出樹脂中的氣體，然后升溫到第二平臺保溫固化），說明泡沫排氣的時間要長于第一平臺保溫的時間，使得泡沫中的氣體沒有充分排出，或泡沫排氣的溫度高于第一平臺保溫的溫度，使氣體沒有及時排出，樹脂流動性已經(jīng)降低，最終形成了氣泡。

圖3 試驗結(jié)果

圖4 試驗結(jié)果

圖5 改變固化曲線后的零件表面

5 泡沫夾芯結(jié)構(gòu)零件表面疏松的解決

通過以上的分析發(fā)現(xiàn)，要想解決缺陷問題，需要對零件的固化曲線進行優(yōu)化。對以下兩種改善固化曲線的方式進行試驗，試驗結(jié)果如下：

第一種方式：將固化曲線中的第一平臺的保溫時間延長，保證泡沫排出的氣體可以排出零件外。試驗結(jié)果表明，沒有明顯的改善。

第二種方式：在固化曲線中第一平臺保溫溫度與第二平臺固化溫度之間增加一個中間溫度進行保溫，試驗結(jié)果如圖5所示。試驗結(jié)果表明，同樣的試驗件，所有區(qū)域的表面質(zhì)量均顯著改善。

6 結(jié)束語

復(fù)合材料是由多種材料復(fù)合而成的新型材料。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計也是新材料的設(shè)計過程，要充分考慮不同材料組合后帶來的強度和工藝問題，不能單純地用組成復(fù)合材料中某一種材料的特性來定義復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特性，應(yīng)充分考慮每種材料的特性和組合后帶來的問題。表面疏松是影響復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)性能的一種常見缺陷，碳纖維預(yù)浸料PVC泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中的疏松缺陷主要是由于泡沫的排氣導(dǎo)致的。分析和試驗表明，在固化曲線中第一平臺保溫溫度與第二平臺固化溫度之間增加一個中間溫度進行保溫，可顯著改善零件表面的質(zhì)量，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能。

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4 林再興. 商用飛機復(fù)合材料構(gòu)件損傷與失效分析[J]. 材料工程, 2003, (S1): 45～47

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征稿啟事

《軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品》雜志是由中國航天科技集團公司主管、中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院主辦的科技綜合類期刊。雜志以推廣軍民兩用技術(shù)、促進技術(shù)轉(zhuǎn)移應(yīng)用、宣傳軍民兩用產(chǎn)品、探求改革舉措、跟蹤行業(yè)信息、交流工作經(jīng)驗、服務(wù)大眾、傳播知識為辦刊宗旨，涉及面廣、信息量大，是全國唯一一本以介紹軍民兩用技術(shù)和產(chǎn)品為主、面向國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合類專業(yè)期刊，也是一本開發(fā)軍民兩用技術(shù)和產(chǎn)品的指南性期刊。

《軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品》主要面向政府相關(guān)部門、國防科技工業(yè)領(lǐng)域十一大軍工集團及所屬研究院所、企業(yè)，全國各地高新技術(shù)企事業(yè)單位、高等院校、圖書館、情報所，軍方和個體經(jīng)營者發(fā)行。雜志設(shè)有業(yè)界聚焦、經(jīng)濟與科技動態(tài)、航天與航空、汽車與車輛、電子信息、船艇、新材料與新工藝、能源與環(huán)保、光機電、國外技術(shù)轉(zhuǎn)移實例、國防科技工業(yè)知識產(chǎn)權(quán)、特別報道和學(xué)術(shù)論文等欄目，緊密跟蹤新技術(shù)、新產(chǎn)品發(fā)展動態(tài)，貼近軍工和民口企業(yè)，內(nèi)容豐富、可讀性強，深受廣大讀者的喜愛。歡迎國內(nèi)外作者自由投稿。

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