帽形加筋壁板成型過(guò)程中填充芯材下方蒙皮的壓力監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)與分析

(1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 北京 101300;2.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 上海 200436)

先固化長(zhǎng)桁，再將其與未固化的蒙皮共膠接是帽形加筋壁板的一種成熟的制造工藝方案。該方案的特點(diǎn)是在壁板共膠接成型時(shí)不需要長(zhǎng)桁的成型模具，比較適合長(zhǎng)桁數(shù)量多或長(zhǎng)桁形狀較復(fù)雜的壁板制造[1，2]。

在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：采用上述方案制造的帽形加筋壁板在填充芯材下方區(qū)域蒙皮的外表面，常常出現(xiàn)沿長(zhǎng)桁方向隱約可見(jiàn)的條紋，這一現(xiàn)象在表面為銅網(wǎng)鋪層時(shí)非常明顯，見(jiàn)圖1。

圖1 蒙皮外表面的沿長(zhǎng)桁方向隱約可見(jiàn)的條紋

本文針對(duì)蒙皮外表面出現(xiàn)隱約可見(jiàn)條紋的現(xiàn)象，采用壓力測(cè)量膠片測(cè)量了帽形加筋壁板成型過(guò)程中填充芯材下方區(qū)域蒙皮的壓力分布情況，采用毛細(xì)管壓力傳感器在線監(jiān)測(cè)的方法測(cè)量了填充芯材下方區(qū)域蒙皮典型位置的內(nèi)部壓力，并分析了填充芯材的體積含量負(fù)偏差對(duì)此區(qū)域蒙皮壓力分布和典型位置壓力值的影響。

一、實(shí)驗(yàn)

(一)壓力分布測(cè)試方法

壓力分布測(cè)試采用Prescale壓力測(cè)量膠片法。Prescale壓力測(cè)量膠片分為兩部分，即A膜與C膜，由PET聚酯膠片作為載體，C膜涂有一層微囊生色物質(zhì)，A膜涂有顯色物質(zhì)。使用時(shí)將A、C膠片的粗糙面相對(duì)，然后把膠片插入要測(cè)量壓力的地方，施壓后微囊破裂，生色物質(zhì)與顯色物質(zhì)相互反應(yīng)，膠片上出現(xiàn)紅色區(qū)，色彩的深淺隨著壓力水平的改變而改變。通過(guò)掃描儀將受壓膠片上的信息存入電腦，采用壓力圖像分析系統(tǒng)FPD-8010E進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[3,4]。

(二)毛細(xì)管壓力傳感器在線監(jiān)測(cè)

壓力在線監(jiān)測(cè)方法采用基于帕斯卡原理的內(nèi)置式毛細(xì)管測(cè)壓法，該方法能夠?qū)?fù)合材料固化前期的內(nèi)部壓強(qiáng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，原理圖如圖2所示。

圖2 毛細(xì)管壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

由于毛細(xì)管和儲(chǔ)油腔內(nèi)均充滿了傳壓液體，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)處的壓力發(fā)生變化時(shí)，毛細(xì)管端部的硅油會(huì)將相應(yīng)變化傳遞至儲(chǔ)油腔處的壓力傳感器。由于復(fù)合材料在固化成型過(guò)程中，樹(shù)脂的流速較小，可以忽略流體的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，認(rèn)為通過(guò)毛細(xì)管所測(cè)壓力為樹(shù)脂壓力[5～7]。

(三)試驗(yàn)件制備

(1)帽形加筋壁板的蒙皮鋪層為：[45/0/-45/90/90/-45/0/45/0/0/45/0/-45/90/90/-45/0/45/45/0/-45/90]s共44層，厚度8.22mm。

(2)已經(jīng)固化的長(zhǎng)桁為等厚帽形，厚度約2mm，底角圓角半徑5mm。

(3)填充芯材由與蒙皮一致的單向T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)增韌環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料制備，與長(zhǎng)桁貼合處的圓角半徑為5mm，與真空袋貼合的一側(cè)的圓角半徑為3mm。制備的填充芯材有3種體積偏差，分別為-50%、-20%、0%。填充芯材體積偏差δS計(jì)算方法為：

(1)

式中，S0為填充芯材標(biāo)準(zhǔn)截面積；S為填充芯材實(shí)際截面積。

(4)采用Prescale壓力測(cè)量膠片法測(cè)試壓力分布試驗(yàn)件的蒙皮毛坯制備時(shí)將Prescale壓力測(cè)量膠片放置于以蒙皮上表面起始第4層和第5層之間，見(jiàn)圖3。

(5)采用毛細(xì)管壓力傳感器在線監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)典型位置壓力值試驗(yàn)件蒙皮毛坯制備時(shí)，毛細(xì)管埋放于填充芯材下方的蒙皮鋪層中。端頭沿長(zhǎng)桁方向插入的深度為30mm，在深度方向上置于以蒙皮上表面起始第4層和第5層之間，與壓力測(cè)量膠片所布置的深度相同。在長(zhǎng)桁下凸緣正中與蒙皮正中各埋放一根作為對(duì)比，同時(shí)還將在熱壓罐中布置1根毛細(xì)管用于監(jiān)測(cè)罐壓。

(6)帽形加筋壁板工藝組合

將已經(jīng)固化的帽形長(zhǎng)桁的兩側(cè)凸緣上粘貼膠膜；將真空袋、透氣氈、隔離膜等依次包裹在輔助支撐上，一并放于帽形長(zhǎng)桁空腔內(nèi)；在長(zhǎng)桁圓角上放置填充芯材；將長(zhǎng)桁連帶輔助材料一并翻轉(zhuǎn)并扣到未固化蒙皮的預(yù)定位置上；放置隔離膜、透氣氈、真空袋等輔助材料，并與長(zhǎng)桁空腔內(nèi)的輔助材料組合，完成封裝。帽形加筋壁板工藝組合示意圖見(jiàn)圖3，對(duì)于進(jìn)行壓力在線監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)件蒙皮內(nèi)部的測(cè)量點(diǎn)位置見(jiàn)圖4。

圖3 帽形加筋壁板工藝組合示意圖

圖4 蒙皮內(nèi)部的測(cè)量點(diǎn)位置示意圖

(7)帽形加筋壁板共膠接工藝曲線：室溫升溫至60℃，加壓至0.7MPa；同時(shí)繼續(xù)升溫至135℃，保溫60min；升溫至180℃，保溫120min；降溫至70℃，卸壓；升降溫速率為1.5℃/min。

二、結(jié)果與討論

(一)壓力測(cè)量膠片測(cè)試法測(cè)試結(jié)果與討論

填充芯材體積偏差為-50%、-20%、0%試驗(yàn)件的壓力膠片測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5至圖7。

圖5 δS為-50%試驗(yàn)件壓力膠片測(cè)試結(jié)果

圖6 δS為-20%試驗(yàn)件壓力膠片測(cè)試結(jié)果

圖7 δS為0%試驗(yàn)件壓力膠片測(cè)試結(jié)果

從填充芯材體積偏差δS為-50%和-20%試驗(yàn)件壓力膠片測(cè)試的圖像結(jié)果可以看出，在填充芯材下方存在明顯的壓力梯度，在長(zhǎng)桁上的圓弧與蒙皮相切的切點(diǎn)處有一條相對(duì)于其它區(qū)域的較高的壓力痕跡線，在填充芯材正下方有明顯的低壓力痕跡。

在填充芯材正下方的低壓力痕跡隨著體積負(fù)偏差的加劇而愈發(fā)明顯，δS為-50%試驗(yàn)件最明顯。

(二)壓力在線監(jiān)測(cè)結(jié)果與討論

填充芯材體積偏差δS為-50%、-20%、0%試驗(yàn)件的壓力在線監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。固化前期，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力情況，及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力與罐內(nèi)氣壓的差值圖見(jiàn)圖8。

表1 δS為-50%、-20%、0%試驗(yàn)件的在線監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖8固化前期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力測(cè)量情況結(jié)果

Fig.8Pressuremeasurementatmonitoringpoints

由表1結(jié)果可以看出，填充芯材下方對(duì)應(yīng)的蒙皮(區(qū)域B和區(qū)域D)獲得的壓力，會(huì)隨著填充芯材的體積含量負(fù)偏差值的減小而升高，當(dāng)δS為0%時(shí)，區(qū)域B和區(qū)域D與區(qū)域A、區(qū)域C和區(qū)域E的壓力有輕微的差異。

從圖8可以看出，填充芯材下方的蒙皮內(nèi)部壓強(qiáng)P相對(duì)罐壓有不同程度的滯后。隨著填充芯材的體積含量負(fù)偏差值δS的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)達(dá)到罐內(nèi)壓強(qiáng)的速度越慢，與罐內(nèi)壓強(qiáng)的壓強(qiáng)差ΔP也越大。當(dāng)δS為-50%時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)始終與罐壓有一定的差距。

(三)剖切檢查結(jié)果與討論

填充芯材體積偏差δS為-50%、-20%、0%試驗(yàn)件的剖切試片的金相照片見(jiàn)圖9至圖11。

圖9 δS為-50%時(shí)填充芯材區(qū)的截面照片

圖10 δS為-20%時(shí)填充芯材區(qū)的截面照片

圖11 δS為0%時(shí)填充芯材區(qū)的截面照片

由不同填充芯材體積偏差的截面照片可見(jiàn)，在填充芯材下方的蒙皮纖維有褶皺現(xiàn)象，填充芯材體積負(fù)偏差值越大，纖維褶皺程度越嚴(yán)重，見(jiàn)表2。

表2 褶皺程度的測(cè)量結(jié)果

通過(guò)對(duì)前述沿長(zhǎng)桁方向有隱約可見(jiàn)條紋試驗(yàn)件的相應(yīng)位置剖切試片的檢查發(fā)現(xiàn)，條紋均出現(xiàn)在填充芯材下方的蒙皮上，見(jiàn)圖12。放大觀察發(fā)現(xiàn)，此處貼模面的樹(shù)脂厚度要大于其他位置，由于銅網(wǎng)所用的樹(shù)脂為綠色，從而導(dǎo)致條紋更明顯。

圖12 有隱約可見(jiàn)條紋處的剖切放大照片

(四)填充芯材下方蒙皮的受力狀態(tài)分析與討論

帽形加筋壁板成型過(guò)程中蒙皮未固化時(shí)，蒙皮的下表面貼于剛性模具之上。帽形長(zhǎng)桁已經(jīng)固化，凸緣部分壓在蒙皮之上，上側(cè)受到壓力P。填充芯材位于長(zhǎng)桁與蒙皮形成的夾角之間，右側(cè)受到壓力P。見(jiàn)圖13。

圖13 填充芯材區(qū)域的受力狀態(tài)示意圖

填充芯材是由同向的預(yù)浸料堆疊而成，預(yù)浸料的化學(xué)流變特性由于受纖維的影響和純樹(shù)脂不同其復(fù)合黏度遠(yuǎn)大于純樹(shù)脂的粘度[8]。

在固化的初始階段溫度較低時(shí)，填充芯材的復(fù)合粘度很高，在受到壓力后完成形變需要很長(zhǎng)一段時(shí)間，導(dǎo)致其對(duì)下方的蒙皮區(qū)域有一個(gè)時(shí)間段的壓力不足，對(duì)成型質(zhì)量造成很大影響[9～11]。

當(dāng)填充芯材的體積含量偏差為負(fù)值時(shí)，在填充芯材內(nèi)部的空隙進(jìn)一步加劇了其對(duì)下方蒙皮的壓力不足。蒙皮中的樹(shù)脂則向壓力較小區(qū)流動(dòng)，造成此處的纖維褶皺。填充芯材區(qū)域的空隙區(qū)越大(填充芯材體積含量負(fù)偏差值越大)，纖維褶皺越嚴(yán)重。

三、結(jié)論

當(dāng)帽形加筋壁板的填充芯材體積含量為負(fù)偏差時(shí)：

(1)填充芯材下方對(duì)應(yīng)位置的蒙皮在固化初期(開(kāi)始固化至43分鐘)，內(nèi)部壓強(qiáng)的增加相對(duì)于蒙皮的其它區(qū)域滯后；填充芯材下方的蒙皮的內(nèi)部壓力較小，與其它區(qū)域比較存在壓力梯度。

(2)填充芯材體積含量負(fù)偏差值越大，壓力梯度越明顯，蒙皮褶皺越情況嚴(yán)重。