蜂窩夾層結構復合材料的共固化成型工藝

◎王德龍◎

蜂窩夾層結構復合材料的共固化成型工藝

◎王德龍◎

本文以蜂窩夾層結構復合材料共固化技術為研究對象，分別對合材料蜂窩夾層結構的特點及應用，蜂窩夾層結構的破壞模式與原因，共固化工藝及選用材料以，最后對環氧樹脂的固化機理與條件進行了討論。

為了滿足上述要求，蜂窩夾層結構復合材料被廣泛應用于航空航天領域，對夾層結構提出的要求越來越多，使其不僅可以承受結構載荷，同時要求其不斷的變換形狀，以適應不同航空航天器的需求。

蜂窩夾層結構的特點及應用

觀察夾層結構就可以發現，其最初的設計來源于昆蟲的仿生學，根據航空航天事業對板材的特殊要求發展起來的。

夾層結構顧名思義，就是由以面板材料為上下框架，之間填充夾層(夾芯)材料為主，二者一起構成了夾層機構主要部分（圖1）。目前來看，夾層材料的選用多為輕質木材、塑料泡沫及蜂窩三種。在飛機的夾層結構中，以板鋁蜂窩夾層結構復合材料最為常見，同時，這種鋁質蜂窩結構內部的夾芯材料的形狀多種多樣，常見的有六方柱體、菱柱、長方體及圓柱體等幾種。六方柱體是其中最為常見的結構形態，其具有美觀的外表，也可以最大程度節省材料，結構型式簡單且高效，特別是其可以抵抗高強度的壓力和拉力，因此被廣泛使用。

共固化工藝及選用材料

作為復合材料的關鍵構成部分，基體發揮著舉足輕重的作用，因為它把增強材料結合成為一個整體，通過傳遞載體，均布載荷從而決定了復合材料的諸多重要性能。

圖1 蜂窩夾層結構示意圖

固化材料通常指含有兩個或兩個以上的環氧基，并且它的骨架以脂環族或芳香族等有機化合物為主，通過環氧基反應來形成熱固性產物的高分子低聚體的叫做環氧樹脂。它的特點在于從液態到勃稠態再到固態，一種具有多種形態的物質，加熱時呈塑性，熔點不明顯，受熱軟化并逐漸熔化而發勃，遇水不相溶。因為它本身不會硬化，所以單獨使用它時沒有什么價值，只有通過和固化劑發生反應并生成三維網狀結構的固態聚合物時，它的使用價值才回顯現出來。因此，環氧樹脂應歸為熱固性樹脂，網狀聚合物的范圍內。

在常用的環氧樹脂中，有雙酚A型環氧樹脂(E型)、酚醛環氧樹脂(F型)和雙酚F型環氧樹脂這三種，其中雙酚A型環氧樹脂是最主要的，在環氧樹脂的總產量中其比例高達90%。在本文論述中，所涉及的環氧樹脂E51是雙酚A型環氧樹脂的一種。

環氧樹脂的固化機理

環氧樹脂與多元胺產生固化反應時，環氧基上的碳氧鍵及氨基的氮氫鍵斷鍵形成碳氮鍵，剩下一個氫基，生成物也含有活潑氫，這就是其能夠與環氧樹脂繼續反應，并且在環氧樹脂與氨基固化過程中生成的氫基成為催化劑促進了固化反應的進程，所以在胺類作為環氧樹脂的固化劑時，其反應速率很快，反應時間也縮短。在物質的固化反應過程中，分子幾乎同時反應，之后固化劑與環氧樹脂分子以N原子作為交聯點繼續交聯，最終成為三維網狀結構。

環氧樹脂的環氧基與固化劑中氨基反應時比例為1:2，所以根據比例即可計算固化劑的使用量m。在固化劑中適當添加低分子聚肽胺651可以調節環氧樹脂的韌性，其原理是聚肽胺所具有的長鏈結構是體系具有更多的產物交聯點，從而增加交聯度。

固化條件

預處理階段，將固化劑混入樹脂后恒溫60℃加熱1h，這個做法主要目的是固化劑與樹脂中的小氣體分子。

固化時間與固化溫度，前期試驗的結果顯示，此次實驗中，具體的固化過程是，第一步采用400℃的溫度下恒溫1h，這一步驟目的是為了讓固化劑與樹脂混合的均勻度提高，同時去除小氣泡，這段時間為樹脂固化適用時間。第二步是在600℃的溫度下恒溫2h，這個期間固化劑與樹脂初步進行反應，并且失去流動性成為凝膠狀態。最后一步就是在700℃的溫度下恒溫1h，期間固化劑充分地與樹脂進行反應，反應物的強度達到最高值。整個過程的溫度變化如圖2所示。

圖2 固化時間與溫度控制關系

總體來看，之所以前期需要做試驗，固化溫度會影響固化的反應速率及體系粘度。固化溫度過高，會導致固化的反應速率過快從而殘留小氣泡，固化溫度過低則會導致體系粘度過大從而殘留小氣泡。

（作者單位：中航復合材料有限責任公司）