復雜結構石英纖維/含硅芳炔天線罩RTM 成型研究

李 昕, 皋利利, 曾照勇, 鄧詩峰, 俞玉澄

(1.上海無線電設備研究所,上海201109;2.華東理工大學,上海200237)

0 引言

天線罩是導彈上集電氣性能、結構強度、氣動性能等要求為一體的重要部件[1]。導彈飛行速度的提高,對天線罩耐高溫性能也不斷提高,傳統的酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹脂復合材料耐溫一般不超過500℃,已逐漸不能滿足高速飛行導彈天線罩的應用需求[2-3]。

含硅芳炔樹脂是一種新型的耐高溫樹脂,具有優良的介電性能、機械性能和高溫陶瓷化性能[4]。石英纖維增強含硅芳炔樹脂復合材料耐溫達到500℃以上,可滿足3 Ma～5 Ma導彈飛行條件要求,在導彈天線罩上有重要的應用價值。

導彈天線罩性能指標要求高,需對其尺寸精度和成型質量進行嚴格控制。樹脂傳遞模塑工藝技術(RTM)可以較好地滿足罩體壁厚和材料均勻性的控制要求,已成為高性能天線罩制造的一個重要發展方向[5-6]。本文針對某型導彈天線罩研制需求,采用石英纖維增強含硅芳炔樹脂復合材料,開展了天線罩模具設計,成型工藝優化、缺陷控制等技術研究,并對制備的天線罩進行了測試分析。

1 成型模具設計

成型模具是影響天線罩尺寸精度的關鍵,也是影響天線罩內在質量的關鍵因素,RTM成型模具的結構、注膠/出膠方式、輪廓精度等直接影響了產品的質量和性能。

1.1 模具結構設計

研制的含硅芳炔樹脂復合材料天線罩尺寸為φ320×700 mm,主體厚度為(1.5±0.1)mm,根部110 mm區域內由1.5 mm逐漸變厚至10.2 mm。天線罩尺寸較大,如采用整體式模具,不僅模具加工難度大,而且成型后天線罩難以脫模,因此采用如圖1所示的分體式模具,陽模為整體加工,陰模由蓋板、上陰模和下陰模三部分組合而成,不僅易于加工,而且可沿上下陰模分界面拆下,脫模方便。

圖1 天線罩成型模具設計圖

1.2 注膠方式設計

傳統注膠方式為天線罩根部或頂部注膠,另一端出膠,對于大尺寸天線罩的成型,這種注膠方式樹脂的流動路徑長,容易出現因樹脂粘度變化導致無法充分浸透纖維的缺陷。針對該問題,采用天線罩中部注膠、根部與頂部出膠的方式,如圖2所示,相對于傳統注膠方式,樹脂流動距離減少一半,注膠時間由5.2 h縮短至3.5 h,保證了成型質量。

圖2 天線罩成型模具熱變形分析

1.3 模具輪廓設計與補償

成型模具采用45#鋼,由于成型過程中模具受熱會產生熱膨脹,采用ANSYS仿真軟件對RTM成型過程中模具的變形量進行了仿真分析,如圖2所示,確定模具各部位的具體熱膨脹量,并根據仿真數據對模具型面坐標進行修正,保證成型后天線罩的尺寸精度。

2 成型工藝研究

對RTM成型過程進行嚴格控制,選用優化的工藝參數,是保證復合材料天線罩質量成型的關鍵。

2.1 成型過程控制

經研究,確定的含硅芳炔樹脂復合材料天線罩RTM成型工藝流程：模具預處理→增強體套?！夏！郎亍⒛z→固化→脫模及修邊。

為保證天線罩各部位均勻性與整體強度,在套模過程中各層增強體的邊縫錯位排布,并在套模后采用纖維線對增強體進行整體縫合,縫合間距為10 mm×10 mm。

為保證成型質量,樹脂注膠需在管道真空度＜40 mm Hg情況下進行,進膠5 min后,開始加壓注膠,當模具出料口流出樹脂后,繼續注射15 min使得樹脂充分浸潤纖維,然后停止注膠。

2.2 成型工藝參數優化

注膠溫度和注膠壓力是RTM成型的關鍵工藝參數,選擇合適的成型工藝參數對保證產品成型質量有重要的作用[7]。

(1)注膠溫度

注膠溫度取決于樹脂體系的活性期和達到最低粘度的溫度,需根據含硅芳炔樹脂的粘度-溫度進行選擇,如圖3所示。

圖3 含硅芳炔樹脂粘度-溫度曲線

從圖3可以看出,含硅芳炔樹脂的粘度隨著溫度的升高而減少,但溫度越高,含硅芳炔樹脂的工藝窗口時間越短,在120℃時工藝窗口僅為3.5 h,在110℃可達5 h。從含硅芳炔的粘度-溫度和粘度-時間兩方面特性進行綜合考慮,RTM成型的最佳注膠溫度為110℃。

(2)注膠壓力

在不同注膠壓力下成型的含硅芳炔樹脂復合材料彎曲強度的性能如圖4所示,在注膠壓力為0.5 MPa時,復合材料彎曲強度最高。分析表明,當注膠壓力低于0.5 MPa時,氣泡難以充分排除,且注膠時間長,影響制品性能;當注膠壓力高于0.5 MPa時,纖維束之間的宏觀流動和纖維絲之間的微觀流動不一致,產生的空隙較多,制品的機械性能下降;當注膠壓力為0.5 MPa時,成型時樹脂均勻流動,形成的空隙率小,纖維浸潤均勻,復合材料力學性能較高,因此最優注膠壓力為0.5 MPa。

圖4 樹脂注膠壓力與復合材料彎曲強度的關系

3 天線罩成型缺陷控制

研制的含硅芳炔樹脂復合材料天線罩成型的主要難點為頂部和根部的成型,頂部曲率大,成型和脫模困難,而根部為變厚度結構,由1.5 mm逐漸變厚至10.2 mm,厚度上的大尺度變化對成型提出了較大難度,變厚度區域容易出現成型缺陷,需要對增強體的結構進行優化設計。

3.1 增強體結構初步方案

針對變厚度天線罩用纖維增強體的設計,若采用整體仿形結構,雖然整體均勻性較好,但制備難度大、成本高,不利于批量化制備,因此需要針對不同的部位設計合適的增強體結構。

天線罩主體等厚度區域壁厚為1.5 mm,為保證強度、均勻性等要求,選擇機織2/2斜紋結構單元套織物,紗線規格為72Tex,單層厚度為0.2 mm,共8層;在根部變厚區域,在單元套織物第1層和第2層之間增加2.5D編織淺交直聯結構整體增強體,紗線規格為480Tex,高度為110 mm,厚度從0.4 mm逐步變化至8.8 mm,從而實現根部變厚度。

3.2 頂部成型缺陷控制

成型試驗發現天線罩頂部存在頂部塌陷、孔洞等缺陷,如圖5所示,影響了外觀質量和性能。

圖5 天線罩頂部成型缺陷

分析表明,該缺陷是由于2D單元套織物存在兩條邊縫,套模后邊縫修剪使頂部位置紗線疏松,成型過程中在樹脂流動作用下容易導致纖維散開,從而形成缺陷。針對該問題,在增強體第1層和第2層之間填充整體編織無縫2.5D封頂織物,采用72Tex紗線,高度為20 mm,通過縫合使封頂織物與單元套織物成為整體,提高封頂區域的仿形精度,減少封頂處存在低密度區的質量缺陷。

3.3 根部成型缺陷控制

成型試驗發現天線罩根部存在明顯的溝槽等缺陷,如圖6所示,對天線罩強度帶來不利的影響。

圖6 天線罩根部出現的溝槽缺陷

分析表明,由于根部采用了由0.4 mm變厚至8.8 mm的2.5D編織整體增厚層,層間變化量為0.4 mm,厚度漸變梯度大,增強體織物邊縫存在纖維含量低等問題,從而形成缺陷。針對該缺陷,采取措施如下：將增厚層紗線規格由480Tex減少為190Tex,層間厚度由0.4 mm減小至0.2 mm;增厚層優化為兩層疊合結構,每層厚度為4.4 mm,減少梯度變化;套模時將兩層增厚層的邊縫90°錯位均布,減小接縫處的纖維體積分數變化。

3.4 成型優化效果

通過增強體結構優化,研制的含硅芳炔樹脂復合材料天線罩實物如圖7所示。天線罩表面光滑、樹脂含量均勻,不存在明顯的缺膠、富膠、溝槽、空洞等缺陷,滿足成型質量要求。

圖7 優化后制備的含硅芳炔樹脂復合材料天線罩

4 天線罩檢測分析

對研制的天線罩進行了CT檢測和壁厚測試,分析內部成型質量和成型精度。

4.1 CT檢測

采用高分辨率CT對含硅芳炔樹脂復合材料天線罩各部位進行微納米CT三維掃描,分辨率為51μm,將采集到的圖像經過重建,獲得三維CT結果,并進行可視化分析,頂部的CT檢測結果如圖8所示。CT檢測表明,天線罩內部材料均勻,無明顯缺陷。

圖8 天線罩頂部CT檢測視圖

4.2 壁厚測試

對制備的含硅芳炔樹脂復合材料天線罩采用機械三坐標儀進行法向壁厚測試,每隔90°測試1條母線,測試步長為50 mm,測試結果如圖9所示。從圖中可以看出,各部位的厚度均在1.42 mm～1.56 mm之間,滿足(1.5±0.1)mm壁厚精度要求,且在同一圓周上各母線的壁厚差小于0.1 mm,表明制備的天線罩各部位厚度均勻。

圖9 天線罩壁厚測量曲線

5 結論

本文針對含硅芳炔樹脂復合材料天線罩成型的需求,采用RTM成型工藝,開展了模具設計、工藝優化和缺陷控制等研究,實現了大尺寸、薄壁變厚度復合材料天線罩的高精度成型,檢測表明研制的天線罩成型質量與壁厚均勻性滿足要求。