復合材料C型梁制造缺陷占比分析及預防與控制

關鍵詞：統計法；缺陷；Darcy定律；措施

中圖分類號：TQ342+.94；TB332 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0069-04

復合材料C型梁成型過程由于受復合材料纖維增強體各向異性、樹脂基體固化收縮、成型參數設置不合理以及模具與預浸料熱膨脹系數存在差異等多種復雜因素影響，導致固化后的零件內部產生殘余應力，進而形成分層和孔隙密集內部缺陷及纖維褶皺外部缺陷，這些缺陷對梁力學性能和穩定性產生了較大負面影響。針對復合材料制件制造過程中常見的缺陷類型，如孔隙和纖維褶皺層內缺陷，并對缺陷產生原因進行了分析，認為層疊和真空過程對孔隙產生具有顯著影響[1]；認為制件厚度、半徑及厚度變化梯度是產生分層和孔隙密集的重要因素[2]；分別采用真空袋和熱壓機工藝方法，通過層板缺陷實驗分析孔隙形成原因及影響因素，以Kardos氣泡模型驗證固化壓力的增大對抑制缺陷具有決定性影響[3]。

本文以熱壓罐成型的近30件T800級復合材料C型梁為樣本，采用統計法分析常見缺陷種類，揭示缺陷產生機理，形成有效控制措施，實現復合材料C型梁“零缺陷”，為復雜曲率零件完整性的精確評價提供支撐。

1缺陷種類及占比分析

本文篩選采用陽模制造的復合材料C型梁，以缺陷占比較高的分層、孔隙密集及纖維褶皺為研究對象，分別從缺陷位置和零件厚度兩方面進行統計分析。

1.1缺陷位置及占比

復合材料C型梁由腹板、緣條和R角3部分組成，本節主要開展此3區域的缺陷位置占比研究，占比結果如圖1所示。

由圖1可知，復合材料C型梁產生缺陷的區域基本在R角。這是由于R角為曲面結構，其成型過程相比于腹板和緣條平面區域更復雜。本文依據參考文獻[4]拐角區應力分析可知，由于曲面結構內外表面積不同，復合材料C型梁R角形成垂直和平行零件表面的壓縮應力及側面的剪切應力。剪切應力的存在會導致零件固化過程中纖維發生剪切變形，造成R角密實程度相較于平板區更加不均勻，最終產生內部和表觀質量缺陷。

基于區域缺陷占比及原因分析，統計了不同R角半徑的復合材料C型梁拐角區域無損質量檢測數據，如圖2所示。

由圖2可知，隨著零件R角半徑的增大，缺陷占比逐漸減小。這是因為，零件R角過小，導致工裝R角趨近于“尖角”，鋪貼時，預浸料難以在R角光滑過渡，易形成纖維變形，且厚度越大，層疊而成的預浸料纖維變形現象愈發劇烈，造成纖維斷裂和架橋，進而形成纖維褶皺和分層等缺陷。

1.2零件厚度及占比

為同時保證零件力學性能和輕質特征，復合材料C型梁的設計包含等厚區和非等厚區2種類型。基于1.1節分析結果，統計了R角等厚區與非等厚區的缺陷占比，如圖3所示。

由圖3可知，復合材料C型梁缺陷占比較高的為變厚區。復合材料C型梁制造材料為中航復合材料有限責任公司的AC531樹脂基體和CCF800H纖維增強體合成的預浸料，AC531樹脂含量較少，可將AC531/CCF800H預浸料認為是零吸膠材料。變厚區占比較高的原因為AC531樹脂可分別沿面內和厚度3方向流動，不論等厚區還是非等厚區，均存在3種流動路徑，屬于多維流動，可能產生剪切力機制。對于非等厚區，在剪切流機制和外在載荷影響下，梯度區纖維易發生滑移，導致樹脂流動和纖維分布不均，從而造成氣孔、揮發分和氣泡等雜質物質遺留在樹脂中，最終在鋪層臺階處產生孔隙、分層及纖維褶皺缺陷。

除統計了等厚區與非等厚區的缺陷占比，還研究了零件不同厚度的缺陷比例，如圖4所示。

由圖4可知，隨著零件增厚，缺陷比例也逐漸增加。這是因為，厚度越厚，樹脂流動以及空氣和揮發份的排出路徑也增長。因預浸料由樹脂基體和纖維增強體組成，樹脂流動的同時纖維也更加密實，因此，纖維絲束對樹脂流動以及空氣和揮發份的排出存在一定的阻礙作用，厚度越厚，流動和排出路徑越長，阻礙作用越大，導致樹脂流動不均勻，纖維屈曲，空氣和揮發份也難以排除干凈，進而造成孔隙、分層和纖維褶皺缺陷[5]。

2缺陷產生機理

復合材料C型梁固化成型過程中，由于高溫和高壓外部載荷作用，內部存在樹脂流動、纖維壓實、空氣和揮發分[6-7]等物質的排出以及氣泡的滲透現象，從而抑制孔隙、分層和纖維褶皺缺陷。

復合材料零件內部產生的樹脂流動、纖維壓實以及空氣和揮發分排出的一系列過程也被稱為密實過程。復合材料零件密實過程可用Darcy定律[8]來描述。Darcy定律中樹脂的流動速率vi可以用式（1）描述：

式中：S_i表示纖維網絡在三方向上的滲透率；μ為樹脂粘性；P_r為樹脂壓力。

由式（1）可知，樹脂流動速率與其黏度成反比，樹脂黏度越小，流動速率越快。根據文獻[7]中AC531樹脂黏度-溫度曲線可知，溫度越高，黏度越小。復合材料零件固化成型時，承受溫度載荷作用，初期溫度由室溫狀態慢慢升高，此時黏度較高，樹脂流動較慢；隨著溫度的逐漸升高，黏度隨之降低，樹脂流動速率增快，在此溫度下，保溫一段時長，即可確保樹脂充分浸潤纖維，抑制缺陷產生。與此同時，式（1）中樹脂流動速率與樹脂壓力成正比，樹脂壓力越大，流動越快。更大的樹脂壓力可使纖維更加密實，空氣和揮發份排出速率更快，排出量更多，進而增加消除缺陷的可能性。綜上所述，復合材料零件缺陷形成主要與樹脂壓力和加壓時機存在較大關系。

3有效控制手段

3.1優化設計參數

基于R角半徑和零件厚度對缺陷占比的分析可知，R角半徑越大、零件厚度越小，缺陷產生的可能性越低，但R角半徑過大，用于裝配的平面區域相應減小，部段承載能力下降，進而影響整體結構的力學性能，無法滿足預期要求。以AC531/CCF800H預浸料為研究對象，根據前期試驗件制造經驗以及國外飛機制造公司L形復合材料零件R角設計的經驗公式可得，零件厚度與內形面R角半徑的關系決定了零件R角內部及表觀質量。復合材料曲率零件厚度與內R角半徑關系如表1所示。

3.2完善成型參數

影響零件成型質量的另一個重要因素為固化壓力的大小及加壓時機。根據文獻[9]中AC531樹脂和預浸料各自的黏度-溫度曲線可知，預浸料黏度最低點對應的溫度為80～100℃，而純AC531樹脂黏度最低點對應的溫度為90～180℃，綜合預浸料和純AC531樹脂溫度，最終確定黏度最低點對應的溫度為90～100℃。在領先熱電偶升至90～100℃后，進行加壓；在熱壓罐壓力范圍內，且確保厚度公差滿足要求的情況下，固化壓力盡可能地增大。根據復合材料C型梁制造經驗，確定了不同厚度下的固化壓力值，如表2所示。

3.3提高排出路徑

對于選擇AC531/CCF800H材料體系固化成型的復合材料C型梁，固化時需在R區外表面放置壓力墊，不僅可保證零件厚度可控，同時可確保外表面型面流線及表面平整。若在零件表面放置壓力墊，雖可控制厚度偏差及表面質量，但壓力墊的存在導致預浸料內空氣和揮發份僅能從面內2個路徑排出，排出路徑減少，加大了缺陷產生的可能性。因此，可在壓力墊R角區域每隔100mm鉆制一個Φ2.5mm通孔，以此增加厚度方向上的排出路徑，抑制缺陷產生。

以厚度10～15mm，內R角半徑5～10mm的3件復合材料C型梁為例，采用陽模鋪貼、熱壓罐固化成型方案。制造出的零件經無損設備檢測，內部無分層和孔隙密集缺陷；經目視觀察可知，表觀質量良好，R區無纖維褶皺現象[10]。

4結語

（1）分層、孔隙密集和纖維褶皺缺陷常發位置為復合材料C型梁大厚度的變R區；

（2）隨著厚度和內R半徑的同比增加，缺陷產生的可能性成反比；

（3）通過優化設計參數、完善成型參數及提高排出路徑3項控制措施可預防缺陷產生，進而提高零件成型質量；

（4）本文聚焦缺陷占比規律分析，加之黏溫曲線參數來源于相關文獻，定量結果還需結合實際材料參數予以進一步精確研究，但復合材料C型梁大厚度的變R區產生缺陷比例較高及控制措施的提供為定性結果，可為復合材料曲率零件的精確設計奠定基礎。