真空輔助成形泡沫夾層復合材料粘接界面性能研究

孫薇薇

摘 要：夾層泡沫與復合材料整體VARI成型過程中，在界面上易產生弱粘接以及粘接不穩定現象。該文采用三種不同方法改善夾層泡沫與復合材料界面粘接性能，在夾層泡沫表面涂覆本體樹脂，采用本體樹脂制備膠膜鋪放在夾層泡沫盒復合材料之間，在夾層泡沫與復合材料之間增加一層空隙率更大的織物。結果表明，三種方法均能改善夾層結構的界面，鋪放膠膜對界面改善效果最佳，涂敷樹脂效果相對最差。

關鍵詞：復合材料 泡沫夾層 真空輔助成形 界面

中圖分類號：V258 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-00-02

復合材料真空輔助成型工藝（VARI）是一種新型的低成本的復合材料大型制件技術，它是在真空狀態下排除纖維增強體中的氣體，通過樹脂的流動滲透，實現對纖維及泡沫的浸漬固化。對于大尺寸、大厚度的復合材料飛機結構件，VARI是一種十分有效的成型方法[1-4]。

然而，對于泡沫夾芯結構，其具有和其他夾層結構相同的、不可避免的弱點，即表面夾芯區域的成型質量問題和面板與芯材之間的界面粘接性能。

兩者容易對泡沫夾芯結構的性能造成很大影響，導致夾芯結構的抗剪切、抗剝離、抗平壓、抗疲勞等性能較低。該文對夾芯材料的樹脂流動性、增強材料的浸潤情況及出現的各種內部和外部缺陷進行工藝探討，并提出三種界面改善方法并進行了比較，對VARI成形泡沫夾層結構的制造具有一定的指導意義。

1 實驗材料及方法

1.1 原材料

實驗采用的增強材料為Sigmatex公司的碳纖維無皺褶布（NCF），265 gsm/±45 °/T300 12k - Aero/1270 mm，泡沫芯材為Evonik公司的PMI泡沫，Rohacell 71WF-HT，樹脂為CYTEC公司的CYCOM890-RTM。

1.2 實驗方法

實驗采用VARI成形工藝制備了外觀質量符合要求的夾層結構平板，如圖1所示。該文采用反射法超聲掃描檢測與光學顯微鏡觀察表征泡沫與復合材料的粘接界面性能（圖1）。

1.3 泡沫與復合材料粘接性能改善方法

該文從兩方面解決界面的膠接質量問題，一是控制界面附近樹脂的流動，保證樹脂能順利填充泡沫單元，二是改善界面層增強材料的毛細作用。具體采用三種方法如下。

（1）在蒙皮增強材料與泡沫組裝之前，在泡沫表面預先涂敷Cycom890樹脂，使樹脂預先填充泡沫單元。這種方法必須在組裝后盡快注膠成型，否則在長時間放置過程或其他工藝實施過程（如預成型工藝）由于樹脂自身的粘度仍然很低會導致涂敷的樹脂被逐漸吸附到干的增強材料中，導致界面改善狀況不可控。同時，樹脂涂敷過程為手工作業，涂敷量和涂敷均勻性較差。例如，第一件上壁板工藝試驗件即采用樹脂涂敷工藝，經過預定型、縫合等諸多工序后，涂敷樹脂被干NCF織物吸附，導致制件的泡沫界面仍然較差。

（2）由于樹脂粘度低，容易產生第一種方法所述的問題，因此采用具有高粘度特性的膠粘劑膠膜（如SY-14）替代低粘度的樹脂，將膠膜鋪貼在泡沫表面然后與NCF織物組裝，并預定型、注膠固化成型。

（3）針對NCF織物較為致密[5-7]，容易產生毛細現象，在泡沫與NCF織物之間鋪放一層機織物（如緞紋織物CF3031）。由于機織物為纖維上下交錯織造而成，每根纖維間和織造交錯點都會存在相對較大空間，不會在注射工藝過程中形成連續大范圍的毛細現象，從而能保證樹脂能順利泡沫單元。

2 實驗結果與分析

2.1 未處理界面性能

未經任何處理泡沫與復合材料粘接界面的掃描結果如圖2所示。掃描結果基本為紅色，說明碳纖維復合材料蒙皮與泡沫芯材之間粘接質量很差。光學顯微照片也說明了這一點，見圖3。樹脂基本沒有浸入泡沫表面的加工開孔泡沫單元，從而使夾層復合材料的界面很差。其主要原因在于，Cycom890樹脂在高溫下的粘度太低，而NCF織物比較致密，導致在工藝過程中由于毛細作用，樹脂很容易向NCF織物擴散，而不會向尺寸的泡沫單元（直徑約300～500 μm）擴散并停留在泡沫單元中。

2.2 界面粘接改善結果

同時采用以上三種界面粘接改善方法制備一塊泡沫夾層復合材料如圖4所示。圖5為經界面蓋上處理后的反射法超聲掃描結果。對比可發現，三種改進方案均能改善夾層結構的界面。同時，實驗效果表明，鋪放SY-14膠膜和CF3031試樣的改善效果好于涂敷Cycom890樹脂。

將上述試樣解剖，采用晶相顯微鏡觀察表明，三種試樣的泡沫表面開口單元基本全部被樹脂填充，說明復合材料的泡沫界面確實得到改善，如圖6所示。

3 結語

采用三種不同方法對VARI成形泡沫夾層復合材料泡沫與復合材料粘接界面進行了改善，并得到以下結論：

三種方法對泡沫與復合材料粘接界面都起到很好的改善

效果；

相比在泡沫與復合材料界面事先鋪覆一層膠膜對界面改善效果最為明顯，且基本不影響結構性能；

在泡沫與復合材料之間加入一層空隙率更大的織物雖然對界面的改善效果好于在泡沫表面涂覆樹脂，但對性能有一定影響。

參考文獻

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