連續芳綸/環氧復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.中國航空制造技術研究院復材中心，北京101300；2.中航復合材料有限責任公司，北京101300；3.上海交通大學，上海200240）

復合材料以比強度、比剛度高[1]、可設計性強等特點，已在許多重要的工程結構中得到廣泛應用。復合材料芯材一直是復合材料夾層結構研究的重要領域。傳統芯材種類有泡沫[2-3]、蜂窩[4-5]等。作為新型芯材，復合材料等距折疊結構，即折疊芯材，是一種用于輕質夾層結構，使結構具有比強度高、比剛度大和良好的吸能性等特點，有望取代傳統蜂窩夾層結構作為航空航天器的主承力結構材料。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連續制造研究國內外鮮少有公開報道。

1 實驗部分

1.1 原材料

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

1.2 結構介紹

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計，為了強度需求不允許預浸料拼接或搭接，不允許剪口，只能用整張預浸料進行連續制造。制件為雙曲率結構，且波紋周期小，周期數量多，波峰至波谷高度差大，R角≈3 mm。此結構展開并非平面，對于延展性較好的芳綸預浸料而言，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，兩側缺料，導致無法繼續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架橋，如圖3所示。

圖2 發生多料、缺料情況的示意圖

圖3 發生架橋情況的示意圖

2.2 解決措施一：預浸料預折

為了不發生缺料或多料的情況，用數控裁床在預浸料上繪制鋪疊曲線，并沿鋪疊曲線鋪疊，試驗發現在鋪疊過程中對預浸料進行即時變形處理，依然發生偏離鋪疊曲線的問題，原因在于該結構展開并非平面，需要利用預浸料延展性進行變形處理，即時變形操作，導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，預浸料的延展性不夠。經分析，采用預浸料預折方法，對預浸料進行預變形，使變形量均勻分布至預浸料布的表面，如圖4所示。

圖4 芳綸預浸料沿鋪疊線預折

2.3 解決措施二：預壓實方案

復材制件預壓實動力為抽真空操作。本文對此結構進行了3種預壓實方案試驗對比：①采用真空袋壓實。真空袋封裝制件抽真空壓實為復材制造中最為常見的壓實方式。然而此結構展開并非平面結構，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，但大多數波谷折疊周期存在真空袋架橋，無法壓實預浸料。②用硫化橡膠作為壓實模。硫化橡膠作為復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，真空壓力無法傳導至制件波谷架橋區。③用其自身制件作為硬模壓實模。試驗發現，第①種方案研制的制件，如圖5所示，雖然成型質量差，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量對比如表1所示。

圖5 產生架橋的區域成型表面質量，展示面為貼模面

表1 3種壓實方案成型制件的表面質量

3 結論

通過數控裁床劃出鋪疊定位線，預折預浸料，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，滿足了設計要求。然而，這種不允許預浸料拼接或搭接，不允許剪口，只能用整張預浸料進行連續制造的方法，待折材料不可避免地會產生面內變形。因此，連續制造方法一般只適用于具有一定延展性的材料。