連續(xù)芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料雙曲率波紋芯材成型工藝研究

何可馨，蘇震宇，周 翔，宋克堯

（1.中國航空制造技術(shù)研究院復(fù)材中心，北京101300；2.中航復(fù)合材料有限責任公司，北京101300；3.上海交通大學(xué)，上海200240）

復(fù)合材料以比強度、比剛度高[1]、可設(shè)計性強等特點，已在許多重要的工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料芯材一直是復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)研究的重要領(lǐng)域。傳統(tǒng)芯材種類有泡沫[2-3]、蜂窩[4-5]等。作為新型芯材，復(fù)合材料等距折疊結(jié)構(gòu)，即折疊芯材，是一種用于輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)具有比強度高、比剛度大和良好的吸能性等特點，有望取代傳統(tǒng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為航空航天器的主承力結(jié)構(gòu)材料。折疊芯材一般用較厚、密度較小的材料，采用折紙方法由平面薄片材料折疊得到，大多為可展開為平面的單曲率芯材[6-7]，而以芳綸預(yù)浸料為原始材料具有雙曲率曲面的波紋型折疊芯材的相關(guān)連續(xù)制造研究國內(nèi)外鮮少有公開報道。

1 實驗部分

1.1 原材料

044B/BA9918織物預(yù)浸料：含膠量（50±3）%，單層厚度為（0.18±0.02）mm，由中航復(fù)合材料有限責任公司生產(chǎn)。

1.2 結(jié)構(gòu)介紹

所用成型工裝如圖1所示，尺寸為245 mm×218 mm。所研制波紋芯材縱向波峰至波谷高度差15 mm，一個橫向波紋周期為40 mm，鋪層為［（0/90）］s。

圖1 成型工裝

1.3 固化工藝

固化工藝：室溫下抽真空至-0.095 MPa以下，加壓至（0.6±0.025）MPa后卸真空至0 MPa，通大氣，然后升溫至（180±5）℃，保溫3 h，帶壓冷卻至模具最高溫度70℃以下出罐。升、降溫速率小于等于1.5℃/min。

2 成型工藝難點及解決措施

2.1 成型工藝難點

雙曲率波紋型折疊芯材為比較新穎的一種設(shè)計，為了強度需求不允許預(yù)浸料拼接或搭接，不允許剪口，只能用整張預(yù)浸料進行連續(xù)制造。制件為雙曲率結(jié)構(gòu)，且波紋周期小，周期數(shù)量多，波峰至波谷高度差大，R角≈3 mm。此結(jié)構(gòu)展開并非平面，對于延展性較好的芳綸預(yù)浸料而言，做到不缺料、不多料、不架橋也是非常困難的。多料、缺料情況如圖2所示，如果沿波谷波紋鋪疊，波峰多料，兩側(cè)缺料，導(dǎo)致無法繼續(xù)鋪疊下一個周期的波紋。若沿波峰波紋鋪疊，波谷處壓實容易出現(xiàn)架橋，如圖3所示。

圖2 發(fā)生多料、缺料情況的示意圖

圖3 發(fā)生架橋情況的示意圖

2.2 解決措施一：預(yù)浸料預(yù)折

為了不發(fā)生缺料或多料的情況，用數(shù)控裁床在預(yù)浸料上繪制鋪疊曲線，并沿鋪疊曲線鋪疊，試驗發(fā)現(xiàn)在鋪疊過程中對預(yù)浸料進行即時變形處理，依然發(fā)生偏離鋪疊曲線的問題，原因在于該結(jié)構(gòu)展開并非平面，需要利用預(yù)浸料延展性進行變形處理，即時變形操作，導(dǎo)致局部變形過大或過小，分布不均勻，局部累積出的大的變形量，預(yù)浸料的延展性不夠。經(jīng)分析，采用預(yù)浸料預(yù)折方法，對預(yù)浸料進行預(yù)變形，使變形量均勻分布至預(yù)浸料布的表面，如圖4所示。

圖4 芳綸預(yù)浸料沿鋪疊線預(yù)折

2.3 解決措施二：預(yù)壓實方案

復(fù)材制件預(yù)壓實動力為抽真空操作。本文對此結(jié)構(gòu)進行了3種預(yù)壓實方案試驗對比：①采用真空袋壓實。真空袋封裝制件抽真空壓實為復(fù)材制造中最為常見的壓實方式。然而此結(jié)構(gòu)展開并非平面結(jié)構(gòu)，而真空袋基本是沒有延展性的，波谷陰角R角非常小，且高度回旋，用真空袋抽真空壓實時，堆疊真空袋已有相當多的褶皺，但大多數(shù)波谷折疊周期存在真空袋架橋，無法壓實預(yù)浸料。②用硫化橡膠作為壓實模。硫化橡膠作為復(fù)材壓力傳遞模是最常見的一種軟模制件，然而對于此制件，軟模與波谷的配合制型難度非常大，基本無法做到有效配合，真空壓力無法傳導(dǎo)至制件波谷架橋區(qū)。③用其自身制件作為硬模壓實模。試驗發(fā)現(xiàn)，第①種方案研制的制件，如圖5所示，雖然成型質(zhì)量差，但波谷貼模面架橋已完全被樹脂填滿，而非貼模面為真空袋可以到達的傳遞真空壓力的區(qū)域。施加真空壓力，可以作為配合精度很高的硬模使用。用其自身制件作為硬模壓實模可以完美地傳導(dǎo)真空壓力給制件。有效地解決了波紋型折疊芯材的架橋問題。3種壓實方案成型制件的表面質(zhì)量對比如表1所示。

圖5 產(chǎn)生架橋的區(qū)域成型表面質(zhì)量，展示面為貼模面

表1 3種壓實方案成型制件的表面質(zhì)量

3 結(jié)論

通過數(shù)控裁床劃出鋪疊定位線，預(yù)折預(yù)浸料，利用自身制件作為硬模壓實模，成功克服了波紋型折疊芯材制備過程中缺料、多料、架橋等問題，滿足了設(shè)計要求。然而，這種不允許預(yù)浸料拼接或搭接，不允許剪口，只能用整張預(yù)浸料進行連續(xù)制造的方法，待折材料不可避免地會產(chǎn)生面內(nèi)變形。因此，連續(xù)制造方法一般只適用于具有一定延展性的材料。