縱橫加筋碳纖維復合材料壁板整體成型技術研究

李 義，葉宏軍，翟全勝

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300；中航工業復合材料技術中心，北京 101300）

1 概述

復合材料具有比強度高、比剛度大、可設計性強、抗疲勞損傷性能優異和耐腐蝕性好等優點，它是航空航天領域重要的輕量化結構材料，已廣泛應用于飛機的機翼壁板、平尾、垂尾、機身、艙門等零部件結構。復合材料用量已經成為衡量航空飛行器先進性的重要指標之一[1-2]，在最新型的大型客機A350機型中，復合材料用量達到了52%[3-6].空客A350飛機復合材料應用情況如圖1所示。

圖1 空客A350飛機復合材料應用情況

加筋壁板結構是典型的航空復合材料面板結構的基本形式之一，已被應用于翼面和機身等部位。筋條對蒙皮的剛性在很大程度上有所增強，尤其用于飛機機身時，由于機身結構曲率比較大，復合材料制件一般是曲面縱橫加筋結構壁板。這種結構目前主要采用膠接共固化的成型工藝，先固化蒙皮，然后將未固化的筋條與蒙皮膠接共固化成型。在此過程中，蒙皮成型技術、筋條定位技術、膠接共固化技術對最終產品的質量影響尤為關鍵。本文以典型縱橫加筋壁板為例，如圖2所示，介紹了國產T700級碳纖維復合材料制件成型技術研究。

圖2 典型縱橫加筋壁板盒段

2 蒙皮成型技術

對于復合材料加筋壁板，蒙皮是主要承力部位，蒙皮的質量影響著最終整個復合材料產品的性能，且蒙皮質量控制對后續筋條膠接共固化影響尤為關鍵。對于曲面蒙皮，難點在于如何控制蒙皮的變形和蒙皮的最終厚度。

2.1 蒙皮變形控制

對于復合材料制件，影響蒙皮變形的因素主要有2點：①蒙皮成型模具材料的選擇；②蒙皮鋪層角度的控制。

復合材料蒙皮在固化過程中會經歷一個復雜的溫度場過程：從室溫以一定升溫速率升至高溫，在高溫下發生固化反應至固化完全，然后又以一定的降溫速率降至室溫。在降溫過程中，由于成型模具與復合材料產品熱膨脹系數不一樣，在收縮過程中會在模具與復合材料產品間產生一個非常大的剪應力，最終造成產品變形，尤其對于曲面蒙皮結構，這種剪應力產生的彎矩會使產品發生很大的變形。由于復合材料的熱膨脹系數接近于0，一般的金屬模具材料因為熱膨脹系數比較大，與復合材料熱膨脹系數無法匹配，不能滿足要求。對于曲面加筋壁板，必須采用Invar合金（熱膨脹系數接近于零）作為模具材料。

由于復合材料是各向異性的材料，每一層的鋪層角度不一樣，其熱膨脹系數也會不一樣，因此，在固化收縮過程中，層與層之間會產生一個剪應力，由此會對產品產生一個彎矩。為了控制產品的變形，蒙皮一般采用對稱鋪層，這樣上下鋪層的彎矩會相互抵消，因此，每一鋪層角度對雙曲加筋壁板變形控制的影響比較大。為了控制每一鋪層的角度，目前主要采用Fibersim軟件分析產品蒙皮鋪層，生成精確的鋪層下料文件和激光投影文件，在鋪疊過程中，嚴格按照激光投影定位的鋪層角度和鋪層區域鋪疊，最終制造出的蒙皮變形要在設計允許范圍內。

2.2 蒙皮厚度控制

蒙皮的厚度對后續膠接共固化質量的影響比較大，且會影響后期產品與金屬骨架的裝配。目前，在蒙皮成型過程中，一般采用預浸料零吸膠工藝，而預浸料性能會影響最終蒙皮的厚度。為了保證預浸料性能的均勻性，達到各項指標的要求，需嚴格控制國產T700碳纖維面密度和樹脂含量。在預浸料制備過程中，先將國產T700碳纖維進行一定程度的展纖處理，且每一束碳纖維經展纖后厚度均勻，其次在排紗過程中確保束與束間緊密排列；在樹脂膠膜制備過程中，根據樹脂體系的流變特性選擇合理的工藝窗口，對樹脂預熱時間、涂覆速度優化處理，并對膠膜厚度進行在線監測，制備出厚度精確、均一的樹脂膠膜。經覆合后制造出的預浸料國產T700碳纖維面密度偏差在±2%，樹脂含量在±3%內，最終制造出的雙曲面蒙皮厚度公差在±4%內，滿足設計技術要求。

3 筋條定位技術

縱橫加筋壁板的筋條如何定位是一項非常難的技術，在設計定位機構時，既要保證筋條定位的精確度，又要保證后期真空袋封裝的效率，定位機構設計太復雜，不利于產品膠接共固化時真空袋的封裝。根據縱橫加筋壁板的結構特點，采用卡槽定位。對于縱向筋條，設計橫跨蒙皮的定位器，定位器為可卸式，由其上的定位孔與模胎上的定位孔通過定位銷定位，定位器上有卡槽裝置，縱向筋條通過定位器上的卡槽進行定位，具體如圖3所示。

圖3 縱向筋條定位方式

橫向筋條以縱向筋條為基準定位，也是采用卡槽的方式，橫向筋條成型模的延伸部分插入對應垂直方向上縱向筋條成型模在相應位置上設置的凹槽內，具體如圖4、圖5所示。

4 膠接共固化技術

膠接共固化技術是所有加筋壁板中比較難控制的一項技術，尤其是對于縱橫加筋壁板。在蒙皮與筋條膠接共固化時，縱橫加筋壁板需解決3個問題，即筋條三角區填充量大小、蒙皮與筋條模具間隙校驗、膠接如何組裝。

對于縱橫加筋壁板，研究發現，當筋條三角區填充量不夠時，某些筋條填充區會出現膠膜空隙，這是因為填充區對膠膜的壓力不夠；當填充量合適時，筋條R區內部質量合格，且筋條立邊厚度在理論范圍值內；當填充量稍多時，筋條R區內部質量合格，但筋條立邊厚度超厚，這是因為填充料過量，被擠壓至立邊中，導致立邊厚度超差；當填充量過量時，發現某些筋條出現立邊分層，某些筋條下緣條出現孔隙，這主要是因為當填充料過量時，筋條R角尺寸會大于理論值，造成與筋條模具R角不匹配，在成型過程中導致筋條成型模發生逆時針或順時針偏轉，當成型模逆時針偏轉時，下緣條壓力不夠出現空隙，當成型模順時針偏轉時，筋條立邊壓力不夠出現分層。

圖4 橫向筋條定位方式

圖5 縱橫加筋壁板定位效果圖

在膠接共固化時，由于蒙皮已固化完全，且筋條模具是剛性的，兩者配合時容易產生間隙，所以，必須對蒙皮與筋條模具進行間隙校驗，可采用塞規或校驗膜校驗。當蒙皮與成型模間隙小于0.15 mm時，對膠接影響不大；當間隙大于0.15～0.25 mm時，可在間隙較大處多加一層膠膜進行處理；當間隙大于0.25 mm時，需對間隙較大處進行加塞預浸料處理，消除間隙。對于縱橫加筋壁板，由于筋條數量比較多，膠接組裝非常困難。當膠接封擋不嚴實時，會導致固化時流膠過多引起筋條與蒙皮脫粘。針對本文論述的典型縱橫加筋壁板盒段進行了一系列試驗，發現采用國產未硫化的硅橡膠作為封擋材料時效果比較好。在膠接固化過程中，硅橡膠在樹脂能流動前會發生硫化反應，經硫化的硅橡膠有一定的剛度，能有效阻止樹脂的流動，達到封擋的效果。

5 結論

經過分析，得出以下結論：①蒙皮成型技術、筋條定位技術、膠接共固化技術是國產T700級碳纖維復合材料縱橫加筋壁板整體成型技術的關鍵；②用Invar合金作為模具材料，控制蒙皮鋪層角度能有效解決雙曲面蒙皮變形的問題，控制預浸料纖維面密度和樹脂含量能蒙皮厚度；③采用卡槽定位技術能夠滿足國產T700級碳纖維復合材料縱橫加筋壁板筋條定位精度的要求，并能提高真空袋的封裝效率；④合適的填充量、筋條與蒙皮間隙檢查、封擋材料的選擇能有效解決筋條膠共固化時易出現的內部質量問題。

［1］趙渠森.先進復合材料手冊［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］航空航天工業部科學技術研究院.復合材料設計手冊［M］.北京：航空工業出版社，1990.

［3］梁憲珠.復合材料垂直安定面固化模具的設計與制造［J］.航空制造技術，1988（6）：32.

［4］陳紹杰.大型飛機與復合材料［J］.航空制造技術，2016（15）：32-37.

［5］崔海超，翟全勝，安學鋒，等.T700/6421復合材料層合板“離位”增韌研究［J］.化工新型材料，2017，45（09）：124-126.

［6］崔海超，熊磊，馬宏毅，等.玻璃纖維—鋁合金層合板濕熱老化性能研究［J］.玻璃鋼/復合材料，2017（10）：89-93.