大厚度C形梁R角質量影響因素研究

黃雪萌， 房曉斌， 段蕾蕾， 劉浩軒， 王 卓

（中航西安飛機工業集團股份有限公司， 陜西 西安 710089）

0 引 言

復合材料在航空航天工業中被廣泛使用，并迅速成為繼鋁、鋼和鈦之后第4 種重要的結構材料[1]。由于復合材料容易設計，適合整體成型，特別是大型整體結構，在航空飛行器中的應用也從小型、薄型、次要結構件逐漸發展到大型、厚型、主要結構件，甚至復合材料在飛機上的用量也成為衡量飛機進步的重要指標[2]。

復合材料梁類零件是飛機結構的主要組成部分，通常為C 形結構，有著不同的R角，結構復雜，對外形精確度要求高。梁類零件R角的質量決定了飛機的裝配和強度要求，是生產過程中主要的關注點，尤其是大厚度梁類零件，R角更難控制，經常會出現纖維褶皺、孔隙密集及分層缺陷[3]，如圖1所示。傳統工藝采用反復試驗逐步改善R角質量，導致研發周期長、成本高、可靠性低，制約了先進樹脂基復合材料的廣泛應用。因此，針對大厚度C 形梁零件設計合理的壓力及壓力傳遞方式很有必要，在總結復合材料C 形梁研制經驗的基礎上，通過探究復合材料C形梁模具結構形式、成型過程預壓實、固化參數等因素對R角質量的影響，摸索一套穩定、可靠的大厚度復合材料C 形梁成型工藝方法，對提高梁的質量穩定性、降低成本和縮短研發周期很重要。

圖1 C形梁R角常見缺陷

1 研究背景

大厚度C 形實體層壓梁選用牌號AC531/CCF800H 的環氧樹脂增強碳纖維預浸料，幾何形狀如圖2 所示。梁的總長度為2 000 mm，腹板寬度為1 000 mm，共計60 層，厚度從5.1 mm 到8.5 mm 變化，變厚臺階多，C 形梁R角半徑從R6.5 mm 到R9.9 mm變化。由于梁類零件R角的彎曲結構，熱壓過程中的壓力傳遞與相同厚度的層壓板不同，這導致了非均勻的壓力分布和多維的樹脂流動[4]。復合材料層板的厚度對纖維密實狀態有較大影響，纖維密實度隨鋪層數的增加呈線性減小，因此大厚度梁類零件更容易在R角處出現纖維褶皺、孔隙密集及分層缺陷，導致復合材料C 形梁內外部出現質量問題[5]?，F結合工程實際，通過分析多因素對C 形梁R角成型質量的影響，研究大厚度C 形梁R角成型質量穩定性控制技術。

圖2 大厚度C形實體層壓梁

2 研究內容及結果討論

2.1 模具對R角質量的影響

復合材料C形梁熱壓罐成型通常有凸模和凹模2種形式，其成型方案的優缺點如表1所示。不同的模具結構可以滿足不同的零件設計要求。從技術角度考慮，通過權衡成本、質量和制造難度來選擇理想的成型方案。

表1 2種成型方案對比

針對大厚度梁零件，若選用凹模成型，零件鋪貼能力差，R角易產生架橋，形成空腔，導致孔隙密集及分層缺陷。另外因凹模成型過程中不同部位存在壓力差，樹脂會發生面內流動，平板區樹脂有向拐角區流動的趨勢，固化壓力作用主要集中在R角，易在R角形成富樹脂區，導致R角纖維褶皺，影響零件的力學性能。凸模結構制造的復合材料C形梁R角區域的鋪貼能力好，模具零件R角制造精度及協調性高，所受固化壓力較大，樹脂流動性強，能排除預浸料層內及層間的空氣，易控制R角內部質量。復合材料層板的厚度對纖維密實狀態有較大影響，較薄的層板容易達到較高的密實狀態，而較厚的層板則難以達到密實狀態。因此，針對大厚度復合材料C形梁R角內部質量的控制尤為重要，為保證R角質量穩定，制造方案多采用凸模成型。

2.2 鋪層預壓實對R角質量影響

零件預壓實即去蓬松，目的是排除預制體內多余的空氣，控制厚度并抑制孔隙產生。選取8.5 mm厚C 形梁制造截段試驗件，在鋪貼完不同層數的預浸料后，將截段試驗件制袋放進熱壓罐中進行預壓實。預壓實的壓力為0.6 MPa，對固化后的C 形梁R角截面的孔隙率進行測試，結果如表2所示。

表2 預壓實對R角質量的影響

由表2 可知，在沒有預壓實的情況下，R角區域的孔隙率最高。預壓實降低了C 形梁R角區域的孔隙率。鋪15 層后進行預壓實處理，前15 層鋪層孔隙率缺陷小，從15 層之后出現富樹脂區域，孔隙缺陷出現在15 層之后的層間區域。鋪30 層后進行預壓實處理，所獲得的R角孔隙最低。鋪60 層后再預壓實，孔隙更容易發生在貼膜面的鋪層。

綜上所述，預壓實能減少孔隙缺陷，但如果過早進行預壓實，靠近真空袋的鋪層容易出現孔隙缺陷；如果過晚進行預壓實，靠近貼膜面的鋪層容易出現孔隙缺陷。上述試驗表明，預壓實操作發生在零件鋪層總層數一半時（厚度為4.25 mm），獲得的R角孔隙率最低。

2.3 固化壓力對R角質量的影響

壓力是影響纖維密實狀態的重要因素之一，較高的固化壓力可以消除纖維之間的孔隙，并驅動樹脂流完全浸漬纖維[6]。開展固化壓力驗證試驗，在不同固化壓力下制備8.5 mm 厚的C 形梁截斷試驗件，放置壓力墊，進行預壓實。對固化后的截斷試驗件R角區域進行孔隙率測試，結果如圖3所示。

圖3 固化壓力對R角質量的影響

由圖3可知，在0.8 MPa壓力下固化的零件孔隙率最低，用0.6 MPa 壓力固化的零件孔隙率最高，這說明增加固化壓力可以降低R角的孔隙率。在外部壓力作用下，纖維層之間的小空氣分子會隨著樹脂的流動而排出。沿著纖維厚度的樹脂流動受到纖維密實程度的限制，當達到一定的纖維密實度時，更多的樹脂沿著層間流動，多余的樹脂則滲入纖維層之間的孔隙中[7]。因此，在固化過程中增加固化壓力可促進樹脂沿纖維層流動，也可以去除夾裹在纖維層間中的小分子等孔隙，有助于減少零件R角上的孔隙[8]。該C形梁零件采用0.8 MPa的壓力參數可有效控制R角孔隙率。

2.4 零件制造

依據以上試驗結果，確定了大厚度C 形實體層壓梁的工藝方案。為保證R角結構質量，采用凸模成型，外表面使用與外型面匹配的壓力墊向內傳遞壓力。零件在鋪貼至總層數的一半時進行預壓實操作，固化時抽真空并施加0.8 MPa 固化壓力。按此工藝方法成型的梁類零件表面質量好，無內部缺陷，壓力墊及零件實物如圖4所示。

圖4 零件及壓力墊實物

3 結束語

（1）大厚度或凹模成型的復合材料C 形梁零件在R角易出現表面褶皺，孔隙密集及分層缺陷，因此針對大厚度C形梁零件的制造多采用凸模成型。

（2）增加預壓實及固化壓力可以促進纖維層間的小分子等孔隙排除，有助于減少零件R角上的孔隙。針對大厚度C 形梁零件，預壓實操作發生在鋪層厚度4～5 mm時，獲得的零件R角孔隙率最低。

（3）影響大厚度復合材料C 形梁零件R角質量的因素有模具形式、預壓實層數、固化參數等，針對大厚度C 形梁零件采用凸模與壓力墊組合、增加預壓實工藝、優化固化參數，使R角區孔隙基本消除，R角質量穩定。梁類零件R角質量的控制方法可以針對不同結構的梁類零件將影響因素進行有機結合分析，以期達到理想的效果。