預浸料成型過程中的組裝方式對比研究

馬開維 李嘉 馬兆丹 張寶艷 王婷婷

摘 要：本文針對預浸料熱壓罐成型過程中的組裝方式進行了研究，選用了四種常用的組裝方式，使用5428/T700雙馬樹脂預浸料、ZT7H/5429雙馬樹脂預浸料及ZT7G/LT-03A環氧樹脂預浸料分別按照四種工藝采用熱壓罐成型制備了12塊復合材料板材，分別使用外觀對比、厚度均勻性對比、力學性能對比及C掃無損檢測對比等多種方法對四種組裝工藝進行了對比分析，結果表明使用PeelPlyB布的組裝方式獲得的復合材料表面質量最好，厚度均勻性好，層間剪切強度優異且離散型最小，C掃表明制件內部缺陷少，適合于環氧及雙馬樹脂熱壓罐成型的組裝。

關鍵詞：熱壓罐成型；復合材料；組裝方式；性能對比

中圖分類號：TB322 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0084-05

0 引言

碳纖維復合材料因其質輕、高強、高模、耐腐蝕等特點已經在航空航天及武器裝備等軍用技術領域得到了廣泛的應用[1-3]，傳統的高性能復合材料為了保障其強度要求及孔隙率要求，大多采用熱壓罐成型工藝。熱壓罐成型的優點是可制造各類復雜構件，零件質量優異，成型精度高，制件厚度均勻。近些年，伴隨著國內復合材料研發和應用的不斷深入，復合材料標準力學性能測試樣件的已逐步標準化，對于標準復合材料試樣的制備方法也日趨完善[4-5]。在熱壓罐成型過程中，預浸料的組裝方式決定著復合材料的導氣方向、表面質量等，好的組裝工藝獲得的復合材料力學性能更加優異，離散型更小。其中，復合材料層間剪切強度試驗是衡量復合材料的層間特性的重要試驗方法，從一個應用的角度反映了復合材料基體與增強材料之間的界面強弱，是一種質量控制和材料鑒定的方法。本文結合目前常用的組裝工藝方法，從成型后制件的外觀對比、制件的厚度均勻性、成型后板材的層間剪切強度及C掃無損檢測結果等多個方面對四種復合材料的組裝方式進行了對比研究分析。

1 原材料

實驗中使用的原材料主要包括環氧樹脂預浸料、雙馬樹脂預浸料、玻璃布及相關輔料等，使用原材料信息見表1。5428/T700雙馬樹脂預浸料使用的纖維為日本東麗的T700碳纖維（干法制備），ZT7H/5429雙馬樹脂預浸料使用的纖維為中簡科技生產的T700級碳纖維（濕法制備），ZT7G/LT-03A環氧樹脂預浸料使用的纖維為中簡科技生產的T700級碳纖維（濕法制備），預浸料由中航復合材料有限責任公司制備。

2 實驗過程

2.1 組裝工藝

針對復合材料在成型過程中，樹脂在一定溫度和壓力下呈現流動擠出狀態，需要在制件的表面形成良好的導氣及流動通路，方便多余樹脂及氣泡排出。傳統復合材料組裝工藝在制件上表面使用脫模布及含孔模板，但因脫模布本身不具備吸附樹脂的特性，多余樹脂只能通過模板孔隙流出，制件往往存在出膠不均勻的現象。

為了更好的改進優化復合材料的組裝成型工藝，結合目前國內外常用的導氣工藝制度，分別使用如下圖1中a～d所示的四種組裝工藝組裝預浸料疊層塊，對四種工藝進行對比與評價[6-8]。

a組裝方式采用傳統組裝工藝，組裝方式為鋼制底模板/無孔隔離膜/脫膜布/坯料/脫膜布/有孔隔離膜/有孔鋼制上模板，通過樹脂向上流動滲透從有孔模板流出，達到導氣的作用，其中有孔鋼制上模板分布有直徑1.5mm的小孔，孔間距為100mm；b組裝工藝將有孔鋼制上模板改成無孔鋁模板，鋁模板下方為無孔隔離膜，完全阻隔復合材料導氣通路，作為對比實驗；c組裝工藝將上模板去掉，改為鋼制底模板/無孔隔離膜/脫膜布/坯料/脫膜布/兩層EW100A玻璃布 /無孔隔離膜，使用兩層EW100A玻璃布實現樹脂的吸膠和導氣，同時玻璃布連接至透氣氈，行程完整的導氣通路；d組裝工藝較c組裝工藝有所不同，將脫膜布替換為PeelPlyB布，其它不變，組裝方式為鋼制底模板/無孔隔離膜/PeelPlyB布/坯料/PeelPlyB布/兩層EW100A玻璃布/無孔隔離膜。PeelPlyB布為一種兼具導氣和吸膠功能的織物，同時PeelPlyB布的使用可以保證均勻的復合材料表面質量，便于后續的打磨和粘接工序。

2.2 固化工藝

為了更好的驗證不同組裝方式對不同類型的樹脂、纖維是否存在一致性，實驗設計了三種不同類型的預浸料，分別為5428/T700雙馬樹脂預浸料、ZT7H/5429雙馬樹脂預浸料及ZT7G/LT-03A環氧樹脂預浸料，三種材料中包含了環氧樹脂體系及雙馬樹脂體系，在纖維上包含了進口干法制備的碳纖維和國產濕法制備的碳纖維。預浸料的固化工藝制度如下：

5428/T700雙馬樹脂預浸料的熱壓罐成型制度為：室溫下抽真空，真空不小于0.095MPa；以0.5℃/min～2℃/min的速率升溫至110℃～145℃，加壓0.6MPa～0.7MPa；繼續升溫至150℃±5℃，保溫1.0h～1.5h；繼續升溫至180℃±5℃，保溫2h；保持壓力，繼續升溫至205℃±5℃，保溫4h～5h后以不大于2.0℃/min的速度冷卻（或在熱壓罐中自然冷卻）到60℃以下出罐。

ZT7H/5429雙馬樹脂預浸料的熱壓罐成型制度為：室溫下抽真空，真空不小于0.095MPa；以不高于3℃/min的速率升溫至100℃～150℃，加壓0.6MPa～0.7MPa；繼續升溫至150℃±5℃，保溫1.0h～1.5h；繼續升溫至180℃±5℃，保溫2h；保持壓力，繼續升溫至200℃±5℃，保溫4h～5h后自然冷卻到60℃以下出罐。

ZT7G/LT-03A環氧樹脂預浸料的熱壓罐成型制度為：室溫下抽真空，真空不小于0.095MPa；以不高于1.5℃/min的速率升溫至60～90℃加壓0.4～0.6MPa，繼續升溫至125℃～140℃，保溫2h～3h后，以不大于2.0℃/min的速度冷卻（或在熱壓罐中自然冷卻）到60℃以下出罐。

選用5428/T700、ZT7H/5429、ZT7G/LT-03A三種不同的預浸料分別壓制層合板，測試預浸料性能的層板采用16層單向鋪層，板材理論厚度為2mm，分別通過四種不同的組合方式進行組裝進罐固化。

3 結果分析與討論

3.1 外觀及制件厚度

固化后板材的外觀質量和制件的厚度均勻性反映了樹脂出膠的方向及均勻性，采用目視方法檢查了固化成型后的層合板外觀平整度和表面有缺陷，并使用游標卡尺對所得到的試驗件進行厚度測量。

固化成型后的三種復合材料四種組合方式所得到的十二塊層合板如圖2。使用四種工藝制備的試板表面均無可見缺陷，表面均勻平整，其中工藝（d）組裝方式因為使用了PeelPlyB布代替傳統脫膜布，制件表面呈磨砂狀，外觀更加平整均勻。

使用游標卡尺測量各板材的厚度，5428/T700樣板厚度、ZT7H/5429樣板厚度及ZT7G/LT-03A樣板厚度分別如表2～表4，通過對比可以發現，采用（c）和（d）組合工藝所得到的層合板厚度更薄，同時厚度的均勻性更好，離散性更低。從理論上分析，由于EW100A具有吸膠特性，能夠吸取預浸料內的多余樹脂，同時，玻璃布面密度均勻，比較單純開孔流膠的方式，具備更加優異的流膠均勻性。各種工藝的厚度及均勻性對比圖如圖3。

3.2 力學性能對比

經固化成型后的5428/T700樣板、ZT7H/5429樣板及ZT7G/LT-03A樣板按照標準JC/T773-2010裁剪成層間剪切測試試驗件，按照標準進行層間剪切強度測試，測試環境溫度為23℃，環境濕度為50%RH。測試結果如表5～表7，層間剪切強度測試實驗每組的有效試樣為6個，取其平均值及標準差。通過對比發現，對于三種材料體系，工藝（a）制備的樣件測試的層間剪切強度離散性最大，工藝（d）制備的樣件測試的層間剪切強度離散性最小，使用工藝（c）和工藝（d）制備的樣件測試的層間剪切強度要大于使用前兩種工藝制備的試驗件強度。不同組裝工藝的板材層間剪切強度如圖4。從理論上分析，層壓板的層間剪切強度一方面反映的是樹脂與纖維的界面結合強度，同時能夠準確的體現出材料在制備過程中的層間孔隙率，層間孔隙越多，材料的層間剪切強度越低。對比5428/T700和ZT7H/5429材料的層間剪切強度，因日本東麗T700纖維表面光滑，國產ZT7H碳纖維因為纖維表面呈現溝壑狀，因此ZT7H/5429復合材料層間強度更高。工藝（c）和工藝（d）制備的復合材料板材因為玻璃布和PeelPly布的使用，復合材料表面形成了更好的導氣通路，氣體更便于排出，復合材料Z向的缺陷更少，因厚度方向導氣的路程更近，更加有利于制備低孔隙率和缺陷的復合材料制品，材料的層間性能也更加優異。同時由于（a）工藝和（b）工藝復合材料導氣通路受到方向性和出膠孔位置的限制，復合材料的質量均勻性較差，因此復合材料層間剪切強度的離散型更大。工藝（d）PeelPly布具有更好的吸膠性和導氣性，整體離散型最小。

3.3 無損檢測結果對比

對所得到的12塊層合板分別進行超聲C掃描無損檢測，圖5～7分別為經固化成型后的5428/T700樣板、ZT7H/5429樣板及ZT7G/LT-03A樣板超聲C掃描圖像，圖像中白色及紅色區域為內部無缺陷區域，顏色越淺內部質量越好，藍色及綠色區域為缺陷區域，顏色越深表示內部缺陷約嚴重。從圖表中可以清晰發現，四種固化組裝工藝制備的板材內部質量均良好，沒有明顯的內部缺陷。其中，使用組裝方式（d）制備的板材內部質量最好，其余三種組裝工藝制備的板材均勻性較好。

4 結語

本文針對復合材料熱壓罐成型的組裝方式進行了研究，選用了四種常用的組裝方式，使用5428/T700雙馬樹脂預浸料、ZT7H/5429雙馬樹脂預浸料及ZT7G/LT-03A環氧樹脂預浸料分別按照四種工藝采用熱壓罐成型制備了12塊復合材料板材，分別使用外觀對比、厚度均勻性對比、力學性能對比及C掃無損檢測對比等多種方法對四種組裝工藝進行了對比分析，形成結論如下：

（1）采用（c）玻璃布導氣工藝和（d）PeelPlyB布工藝組合工藝所得到的層合板厚度更薄，同時厚度的均勻性更好，離散性更低。同時使用（d）工藝制備的復合材料板材表面呈現磨砂狀態，便于后續的打磨和粘接。（2）通過對比發現，對于三種材料體系，工藝（a）制備的樣件測試的層間剪切強度離散性最大，工藝（d）制備的樣件測試的層間剪切強度離散性最小，使用工藝（c）和工藝（d）制備的樣件測試的層間剪切強度要大于使用前兩種工藝制備的試驗件強度。（3）從超聲C掃描無損檢測看，使用組裝方式（d）制備的板材內部質量最好，其余三種組裝工藝制備的板材均勻性較好。

總上述，為了保證制備的復合材料板材具備優異的力學性能，便于獲取最真實的復合材料性能數據，建議使用（d）組裝工藝，即：鋼制底模板/無孔隔離膜/PeelPlyB布/坯料/PeelPlyB布/兩層EW100A玻璃布/無孔隔離膜。

參考文獻

[1] 益小蘇.先進復合材料技術研究與發展[M].北京：國防工業出版社，2006：146-174.

[2] 陳祥寶.低成本復合材料技術[M].北京：化學工業出版社，2004：30-65.

[3] ACKSON K，CRABTREE M. Autoclave quality composites tooling for composite from vacuum bag only processing[C].47th International SAMPE Symposium， Long Beach： DEStech Publications， Inc.，2002，47：800-807.

[4] 陳祥寶，張寶艷.低溫固化高性能復合材料技術[J].材料工程，2011（1）：1-6.

[5] 陳祥寶，張寶艷.先進樹脂基復合材料技術發展及應用現狀[J].中國材料進展，2009，28（6）：2-12.

[6] Shraddha Jagatap， Sayed A. Nassar， Abbas Razavykia， Belingardi Giovanni. Process variable effect on the strength of autoclave-bonded film adhesive joints[J].Journal of Adhesion Science and Technology，2019（1），715-735.

[7] XU G F， REPEKA L， BOYD J. Cycom X5215-an epoxy prepreg that cures void free out of autoclave at low temperature[C].43th International SAMPE Symposium， Long Beach： DEStech Publications， Inc.，1998，43：9-19.

[8] ZHANG BAOYAN， LI BINTAI， CHEN XIANGBAO. Investigation on a Novel Low Temperature/Vacuum Bag Cure Prepreg[J].Materials Science Forum Vols，2007，1：546-549.