預浸料軟硬度定量表征測試方法研究

朱凱，王潔宇，沈超，陳曼玉，劉思達

(中航復合材料有限責任公司，北京 101300)

0 引言

先進樹脂基復合材料是由有機高分子基體材料與高性能纖維增強材料經過特殊成型工藝復合而成的具有2相或2相以上結構的材料，具有性能可設計、高比強度和比剛度、疲勞性能好、耐腐蝕、可整體成型和多功能一體化等優點，在航空航天等領域的應用日益廣泛，已經發展成為最重要的一類結構材料和結構功能一體化材料[1-2]。預浸料作為復合材料的中間材料，其物理性能和力學性能一般首先獲得關注，相關研究報道較多；而對于預浸料工藝性能如軟硬度等的研究，特別是定量表征的報道相對較少。隨著預浸料產量、用量的增大，工藝性能越來越受到客戶的關注，這主要是因為工藝性能關系到預浸料產品的使用，其優劣直接影響預浸料是否“好用”。

預浸料的軟硬度是預浸料材料成型工藝性的度量。預浸料需要有足夠的軟硬度，以便能鋪貼較深的曲面，以及在曲面周圍能被壓均勻[4]。目前國內外針對軟硬度的研究較少，在CMH-17復合材料手冊性[3]有相關定性的表述。定性判斷受主觀因素影響，無法與客戶的需求進行有效對接，因此需要定量表征預浸料的軟硬度。

預浸料軟硬度的優劣甚至直接關系到預浸料能否用于某些復雜構型復合材料的制造。對于常規的手工鋪貼來說，預浸料偏硬在鋪放過程中不容易與工裝貼合；偏軟容易產生皺折,增大鋪敷難度。因此預浸料軟硬度在適宜的范圍內，有助于提高預浸料的鋪貼效率。Crossley R J[5]等人將預浸料的黏性和軟硬度作為評價預浸料鋪層性能的主要因素。對于近年來興起的自動鋪帶技術而言，預浸料的軟硬度在一定程度上決定著預浸料能否用于自動鋪帶[6-8]。

目前尚無用于定量表征預浸料軟硬度的標準或測試方法，因此開展定量表征預浸料軟硬度及建立相應測試方法十分必要。本文利用自行研制的設備對預浸料的軟硬度進行定量表征，分析影響因素，確定預浸料軟硬度試驗方法的最佳測試參數，建立測試方法，并對方法進行驗證。

1 試驗部分

1.1 原材料

3232A/S4C10-800中溫固化環氧窄帶預浸料：中航復合材料有限公司研制。

1.2 試驗設備

軟硬度測試裝置(圖1)，自行研制。

裝置包含可替換的芯軸、讀數面板(橫向標尺和縱向標尺，最小刻度為1 mm)以及防風(塵)罩。

圖1 軟硬度測試裝置及芯軸

1.3 軟硬度實驗方法

測試原理為：把一定長度的試樣在其中點懸掛起來，測量懸掛點下標準距離處試樣兩端間的距離。預浸料的軟硬度體現了一定長度的預浸料在給定直徑芯軸上在重力下的垂墜程度，本試驗采用預浸料懸垂兩端距離對軟硬度進行量化表征。把一定長度的試樣在其中點懸掛起來，測量在一定懸垂距離(60 mm)下懸掛試樣兩端間的距離(圖2)。為了使預浸料能平整地鋪放在設備上，加工了有一定長度的芯軸(圖1)，設計了讀數面板，包含了橫向標尺和縱向標尺，更加易于預浸料等片狀材料的讀數。將試樣的保護膜揭掉，對稱地放在測量軸上，放置一定的時間，進行測量讀數。

圖2 預浸料軟硬度測試示意圖

1.4 軟硬度試驗方案

根據測試的原理，需要首先對測試環境、懸垂時間這些測試基礎條件進行確定，然后對影響軟硬度試驗結果的芯軸直徑、試樣長度和放置時間等進行分析，最后確定最佳測試參數。

1.4.1 試驗溫度濕度的選取

預浸料中的樹脂基體對溫濕度敏感，并會對預浸料的軟硬度產生影響。為了有效避免由溫濕度變化帶來的影響，需要對溫濕度進行選取。分析比較預浸料生產環境、各主機廠所(凈化間)使用環境以及力學性能測試實驗室環境對溫濕度的要求，選擇各主機廠所預浸料使用環境要求(22 ℃±4 ℃，相對濕度30%～65%)，同時參考力學性能實驗室標準環境要求，加嚴溫濕度要求，暫定軟硬度的測試要求為(22 ℃±2 ℃，相對濕度40%～60%)。考察溫度在20～24 ℃范圍是否對軟硬度測試有影響。通過測試之前將預浸料放置在相對濕度40%～60%環境下24 h用以消除濕度帶來的偏差。

1.4.2 懸垂時間的選取

當試樣放置在芯軸上時，在重力的作用下，預浸料試樣會隨著時間下垂，懸垂的試樣之間距離的讀數也會隨著改變，最終在一定時間內達到穩定。因此，需要首先確定獲得穩定讀數的懸垂時間。

1.4.3 軟硬度測試影響因素分析及正交試驗

考慮預浸料試樣長度、芯軸尺寸、放置時間等三個因素會對試驗有較大影響，故從上述幾個因素方面研究，對軟硬度測試的參數進行優化。

(a)芯軸直徑。根據軟硬度測試的原理，為了更好地表征預浸料的軟硬度，本文采用了直徑分別為10 mm、20 mm、50 mm的芯軸，有效區分預浸料在不同直徑(曲率下)的芯軸下的軟硬度數值，本文對上述三種直徑進行試驗，研究不同芯軸直徑即不同曲率對預浸料軟硬度的影響。

(b)試樣長度。試樣的寬度為預浸料的規格寬度，考慮不同質量的試樣懸垂效果不同，為了試驗的穩定性，分別選擇了35 mm、45 mm、55 mm 三長度試樣進行測試。

(c)放置時間。預浸料以纏繞的方式收卷在紙筒上，因此玻璃纖維預浸料取下后帶有一定程度的彎曲，會影響測試數據的準確性和分散性。研究發現，該彎曲形態在靜置一段時間可以消除，時間的長短需要確認，保證其既能消除彎曲，又不會導致測試過長。因此預浸料放置時間需作為測試參數進行研究。

2 試驗結果

2.1 溫度濕度的選取

本試驗分別測試了20～24 ℃下預浸料的軟硬度，測試結果如圖3所示。隨著溫度的升高，樹脂的黏度會變小，預浸料變軟，軟硬度測試平均值也隨之下降，說明溫度變化對預浸料軟硬度的測試是有影響的。因此在可操作的情況下，進一步加嚴測試環境溫度范圍要求，選取溫度范圍22 ℃±1 ℃，濕度選擇40%～60%。

圖3 選定溫度范圍內軟硬度測試的箱線圖

2.2 懸垂時間

為了確定穩定讀數，試驗初步設定了0 s、30 s、1 min、2 min、3 min、4 min、5 min等7個懸垂時間，確定何時能夠獲得較穩定讀數。分別記錄每種試樣在不同懸垂時間下的軟硬度測試結果，具體如圖4所示。

圖4 預浸料軟硬度與懸垂時間的關系

由圖4可知最初30 s讀數快速下降，此后變化趨于平緩，測試時間2 min時讀數基本達到穩定，3～5 min后讀數無明顯變化。懸垂時間選擇為3 min。

2.3 正交試驗

根據對芯軸直徑、試樣長度和放置時間等因素的分析，本文進行了正交試驗。對試樣芯軸直徑、試樣長度和放置時間3個變量因素，每個因素有三種水平，選用L9(33)正交表(表1)，按照表進行正交試驗，根據試驗結果分析探討上述因素對軟硬度影響的大小。

表1 預浸料軟硬度正交試驗

續表

注A—芯軸直徑 1—10 mm 2—20 mm 3—50 mm

B—放置時間 1—1 min 2—3 min 3—5 min

C—試樣長度 1—35 mm 2—45 mm 3—55 mm

根據測試原理,為把規定長度的試樣在其中點懸掛起來，測量一定懸垂距離(60 mm)下懸掛試樣兩端間的距離，距離越短則預浸料越軟，反之則越硬。每種組合標記進行了三個批次(每批六個試樣)的試驗，測試結果見表2。

表2 預浸料軟硬度正交試驗結果分析

由表2可以看出，正交試驗結果的極差大小依次是：芯軸直徑>試樣長度>放置時間，因此對試驗結果影響較大的是測試時使用的芯軸直徑和試樣長度，而放置時間影響相對較小。從表2可以明顯看出組合2測試結果離散系數最小，測試狀態穩定，說明測試最好的水平為A1B2C3。即芯軸直徑為10 mm，試樣長度為55 mm，放置時間為3 min。

3 試驗方法驗證

本試驗分別進行了相同規格不同批次預浸料、不同規格預浸料、以及不同外置時間下的軟硬度試驗驗證。采用3232A/S4C10-800預浸料進行驗證，3232A/S4C10-800/76/75.5/25中76代表纖維根數，75.5為預浸料寬度，25代表樹脂含量，3232A/S4C10-800/76/75.5/25可簡化表達為76/75.5/25。

3.1 預浸料測試驗證結果

同規格不同批次預浸料軟硬度驗證結果如圖5所示，測試結果顯示：不同批次間數據度差異較小，軟硬度數值較為一致，表明該測試方法測試狀態穩定。

不同規格預浸料軟硬度驗證結果如圖6所示。不同規格的預浸料樹脂含量、寬度以及使用的纖維根數均不同，因此軟硬度測試結果有差異。另外，選擇了相同樹脂含量、不同纖維根數及寬度的預浸料進行軟硬度測試。

圖5 同規格預浸料軟硬度測試結果

圖6 不同規格預浸料軟硬度測試結果

測試結果表明：預浸料軟硬度測試結果為14/21/25<76/75.5/25<36/26/25。這主要是由于在相同樹脂含量下，軟硬度跟單位寬度下纖維根數有關，根數越多軟硬度數值越大，預浸料越硬。單位寬度下纖維根數計算方法見表3。由表3可知，單位寬度下的根數為14/21/25<76/75.5/25<36/26/25，預浸料軟硬度測試結果也為14/21/25<76/75.5/25<36/26/25，三者趨勢相同。因此該軟硬度測試方法能夠有效區分不同規格下預浸料的軟硬度。

表3 3232A/S4C10-800預浸料軟硬度試驗測試結果

注 單位寬度下纖維根數計算方法：纖維根數/預浸料寬度。

3.2 外置時間對預浸料軟硬度影響

預浸料在室溫下有一定的貯存期，本試驗考察了3232A/S4C10-800/36/42/25預浸料在不同外置時間下預浸料軟硬度的測試情況。3232A/S4C10-800/36/42/25預浸料在分別放置0天、10天、20天和30天后進行了軟硬度的測試，每種外置時間下進行了5個批次的試驗，具體如圖7所示。

圖7 3232A/S4C10-800/36/42/25軟硬度測試箱線圖(在不同外置時間下)

測試結果表明：隨著預浸料外置時間的增加，軟硬度數值逐漸變大，預浸料逐漸變硬。這主要是由于預浸料在放置的過程中樹脂基體發生反應，預浸料軟硬度值升高。軟硬度測試方法能夠定量表征出不同外置時間下軟硬度的變化趨勢(圖7)，說明該測試方法是合理可行的。

4 結論與總結

(1)本文自行研制了軟硬度的測試設備, 初步建立了預浸料軟硬度量化表征測試方法。

(2)在選定測試溫度和懸垂時間的基礎上，通過正交試驗確定了軟硬度定量表征測試的關鍵參數：芯軸直徑為10 mm，試樣長度為55 mm，放置時間為3 min。

(3)軟硬度試驗方法驗證表明：同規格不同批次間數據差異較小；不同規格數據差異較大；隨外置時間延長預浸料軟硬度增大。上述結論與通常認知相同，說明該方法可用于預浸料軟硬度測試。