炭纖維復合材料共固化液體成型工藝及層間性能研究

王 炯，李 敏，顧軼卓，王紹凱，張佐光

（北京航空航天大學 空天材料與服役教育部重點實驗室，北京 100191）

共固化液體成型工藝［1，2］是一種新型的復合材料低成本制造方法，其原理是將預浸料鋪層和干纖維預成型體組合在一起，將樹脂注入干纖維預成體中，進一步使其與預浸料鋪層一同固化形成一個整體，預浸料鋪層主要用于凸臺、連接部分等復雜結構，干纖維預成型體用于蒙皮結構。該工藝可以通過改變預浸料鋪層、干纖維預成型體的結構制造復雜形狀構件，可以大幅度減少零件、緊固件的數量和裝配工序，并且簡化了模具設計和樹脂充模過程，從而降低了制造成本，減輕了制件質量。此外，預浸料鋪層和干纖維預成型體所用的纖維可以根據要求選擇不同種類和織構形式，從而靈活地設計制件的性能。共固化液體成型工藝最早由美國的Northrop Grumman公司提出，并在美國國防部主持的CAI低成本計劃中得以發展，并用于飛機承力結構，被證明是一種極具發展前途的復合材料低成本整體成型制造技術。

在共固化液體成型工藝中采用了兩種樹脂體系，即預浸料用樹脂和液體成型用樹脂，而對于同時采用多種樹脂作為復合材料基體的情況，不同樹脂體系之間性能的匹配需要重點關注。國內外對共注射RTM工藝［3－6］（采用兩種及兩種以上的液體成型用樹脂同時注入模具并浸漬纖維）的成型過程和材料性能匹配性進行了研究，但共固化液體成型工藝鮮見報道，亟待開展相關的材料和工藝研究。

本工作采用共固化液體成型工藝，制備了炭纖維復合材料層板，分析了預浸料鋪層和液體成型層的復合過程，并通過Ⅰ型層間斷裂韌性（GⅠC）和層間剪切性能研究了預浸料／液體成型層的界面性能和纖維取向對界面性能的影響，研究結果對于該類復合材料的鋪層設計和性能評價具有指導意義。

1 實驗材料及方法

1.1 原材料與設備

原材料：單向炭纖維／環氧樹脂預浸料，樹脂質量分數38%，固化制度為130℃×2h，固化后Tg為116℃；炭纖維三軸向織物［0／45／90］，面密度417g／m2；雙酚A型環氧樹脂，無錫樹脂廠；改性多元胺固化劑，自制。

設備：力學試驗機，Instron 5565－5kN；掃描電子顯微鏡，Apllo 300；光學數碼金相顯微鏡，BX51M；流變儀，GEMINI－200。

1.2 實驗方法

1.2.1 復合材料層板的制備

預浸料真空袋成型：將裁好的預浸料按順序鋪層和預壓實，真空袋封裝后在烘箱內抽真空加熱130℃固化2h。層板共24層，鋪層方式為［（45／90／－45／0）3／（0／45／90／－45）3］，層板尺寸為270mm ×200mm，固化后厚度3.33mm。

真空灌注工藝：將裁好的炭纖維多軸向織物按順序鋪層，鋪覆導流網等輔助材料并用真空袋封裝，60℃下抽真空灌注樹脂，灌注完畢后保持真空壓放入烘箱加熱130℃固化2h。層板由8層三軸向織物組成，鋪層方式為［（45／90／－45）／（0／45／90）／（－45／0／45）／（90／－45／0）／（0／45／90）／（－45／0／45）／（90／－45／0）／（45／90／－45）］，層板尺寸為270mm×200mm，固化后厚度3.43mm。

共固化液體成型工藝：如圖1所示，設計預浸料層和液體成型層的厚度相等，將12層預浸料鋪層、4層三軸向織物的液體成型層鋪疊作為預成型體，預浸料鋪層位于液體成型層下方。在液體成型層上方鋪覆導流網等輔助材料后用真空袋封裝，并抽真空壓實纖維。然后在60℃下灌注樹脂，樹脂沿導流網對多軸向織物浸漬，灌注結束后保持真空壓將模具放入烘箱加熱130℃固化2h。共固化液體成型層板尺寸為270mm×200mm，固化后厚度3.36mm。

圖1 共固化液體成型工藝示意圖Fig.1 Schematic of co－cured liquid composite molding

為了考察纖維取向對預浸料／液體成型層界面性能的影響，制備了不同鋪層方式的層板，其中預浸料層為準各向鋪層，預浸料／液體成型層界面處的預浸料纖維取向角度與多軸向織物的纖維取向角度見表1，由左至右依次為預浸料層和液體成型層。

表1 預浸料／液體成型層界面處的纖維取向Table 1 Fiber orientation at interface between prepreg part and liquid composite molding part

1.2.2 力學性能測試

成型層板前，用0.03mm厚的聚四氟乙烯薄膜（Teflon film）作為預埋物放置于液體成型層和預浸料層之間（層板厚度的中間位置），用于制造起始分層，見圖1。固化后切割試樣，尺寸為150mm×25mm，預埋物形成的有效分層長度為50mm。按照ASTM D 5528測試GⅠC，如圖2所示，橫梁位移速率為1mm／min。

根據加載至預埋物末端時的載荷和位移計算臨界GⅠC，此時分層長度a＝50mm。卸載后第二次加載記錄擴展至不同裂紋長度時的載荷和位移并計算擴展GⅠC，裂紋擴展如圖3所示。

圖2 Ⅰ型斷裂韌性測試過程（a）裂紋未擴展；（b）裂紋擴展；（c）裂紋擴展至末端Fig.2 Process of mode－Ⅰinterlaminar fracture test（a）before crack growth；（b）crack growth；（c）crack growth to the end

圖3 Ⅰ型斷裂韌性試樣示意圖Fig.3 Schematic of mode－Ⅰinterlaminar fracture specimen

隨著裂紋擴展，試樣會呈現出典型的阻抗式斷裂行為，計算的擴展GⅠC開始單調遞增而后隨著分層擴展趨于穩定，隨分層長度變化的GⅠC的曲線，稱為R阻抗曲線，用以表征試樣的分層起始與擴展的能量釋放率的變化。

在沒有夾雜聚四氟乙烯薄膜的層板區域取樣，試樣尺寸為25mm×6mm，按JC／T 773—82（96）測試短梁抗剪強度。

1.2.3 顯微觀察

對固化的層板選典型位置取樣，打磨、拋光后在光學數碼金相顯微鏡下觀測層板內部樹脂、纖維分布及缺陷狀況。

取層間斷裂韌性測試后的試樣，置于掃描電子顯微鏡下觀察裂紋擴展面纖維與樹脂的黏結情況。

2 結果與討論

2.1 共固化液體成型工藝分析

為了分析共固化液體成型工藝的特點，本工作將其與預浸料成型層板和液體成型層板進行比較，研究了纖維分布與樹脂流動的情況。

由圖4中的顯微照片可以看到，共固化液體成型層板的預浸料層內和多軸向織物層內的纖維排列緊密，預浸料／液體成型層的層間富樹脂區（圖4（c）線框內的層間）沒有預浸料成型層板的明顯，而與液體成型層板的情況相近，同時層板內的缺陷較少，表明共固化液體成型工藝中，樹脂浸潤和流動充分，層板的密實質量較好，同時也說明兩種樹脂的工藝性匹配良好。

圖4 層板的顯微照片（a）預浸料層板；（b）液體成型層板；（c）共固化液體成型層板Fig.4 Micrographs of laminates（a）prepreg laminate；（b）fabric laminate processed by LCM；（c）laminate processed by co－cured LCM

根據圖5的升溫黏度曲線，液體成型用樹脂有較長的低黏度區間，在注射溫度60℃時樹脂黏度為0.15Pa·s，此溫度下預浸料樹脂黏度為10Pa·s左右，相差2個數量級。在樹脂灌注過程中，預浸料／液體成型層的界面處兩種樹脂會發生相互的擴散和融合，但由于預浸料用樹脂的黏度較大，纖維排列也比較緊密，可以認為樹脂的相互擴散主要限于預浸料層和液體成型層交界處的層間位置。

圖5 液體成型樹脂的升溫黏度曲線Fig.5 Viscosity vs temperature of resin of LCM

2.2 共固化液體成型層板的層間性能分析

共固化液體成型層板中預浸料／液體成型層的層間界面是其特有的結構，本工作采用Ⅰ型層間斷裂韌性評價此處的層間抗損傷性能，并與預浸料成型層板和液體成型層板進行比較。

分層處兩層纖維取向為［0／0］的情況下，不同工藝制備的復合材料層板的GⅠC值如圖6所示。可以看到，對于分層長度a＝50mm時的臨界GⅠC值，液體成型層板的GⅠC值最大，預浸料成型層板的GⅠC值較小，共固化液體成型層板的GⅠC與預浸料層板相當。由于聚四氟乙烯薄膜是不透膠材料，如圖1所示，共固化液體成型時，預埋物的區域沒有兩種樹脂的相互擴散，因此對于分層擴展至預埋物長度的共固化層板臨界GⅠC值由抗裂紋擴展能力較弱的一方決定。

隨著分層長度的增加，共固化液體成型的GⅠC值處于預浸料層板和液體成型層板的GⅠC值之間，這是因為分層長度大于50mm的區域沒有夾雜預埋物，預浸料／液體成型層的界面存在兩種樹脂的擴散和融合，其裂紋擴展能量釋放率受到兩種樹脂性能的綜合影響，處于預浸料層板和液體成型層板GⅠC值的中間水平。

圖6 不同復合材料層板的分層阻抗曲線Fig.6 Delamination resistance curves of different laminates

圖7給出了GⅠC分層斷面形貌SEM照片，對于預浸料成型層板，纖維表面光滑，有少量樹脂黏附，說明樹脂／纖維黏結較弱；對于液體成型層板，纖維表面比較粗糙，有大量樹脂黏附，說明樹脂／纖維黏結較強。

圖7 LCM和預浸料層板的分層斷面形貌 （a）預浸料層板；（b）液體成型層板Fig.7 Fracture morphology at delaminate area of LCM and prepreg laminates（a）prepreg laminate；（b）LCM laminate

圖8是共固化液體成型層板的GⅠC分層斷面形貌SEM照片，在預浸料分層面，纖維表面比較光滑，有較少樹脂黏附，在液體成型織物的分層面，纖維被樹脂包覆，裂紋擴展使得樹脂有大量河流狀花樣。這間接說明成型過程中預浸料／液體成型層界面處兩種樹脂的相互擴散程度較小，擴散存在于層間沒有滲透到層內，因此其分層后兩側的形貌差異較大，這與2.1中的分析是一致的。

進一步通過短梁抗剪強度分析不同復合材料層板的層間性能，見圖9。共固化層板的短梁抗剪強度與液體成型層板相近，低于預浸料層板，即短梁抗剪強度由性能較弱的材料體系決定。另外，三種層板的層剪破壞模式一致，試樣中心首先破壞發生分層，隨著加載分層向外擴展并會穿過層間，并傾向于沿0°鋪層方向擴展，最終分層多在0°鋪層與其上方鋪層之間。

圖8 共固化液體成型層板的分層斷面形貌 （a）預浸料層；（b）液體成型層Fig.8 Fracture morphology at delaminate area of co－cured LCM laminate（a）prepreg layer；（b）LCM layer

圖9 不同復合材料層板的斷裂抗剪強度Fig.9 Short beam shear strength results for different composite laminates

2.3 界面處纖維取向對GⅠC的影響

分層是復合材料層板的主要損傷模式，許多學者研究了不同鋪層下層板的層間斷裂韌性，探討了纖維取向對層間斷裂韌性的影響［7－10］。對共固化液體成型層板，預浸料／液體成型層界面處的纖維取向角度可以作為鋪層設計的參量，并且由于共固化層板在材料和結構上具有特殊性，纖維取向對層間性能的影響規律可能與傳統的層合板不同。因此本研究通過測試不同鋪層方式的共固化液體成型層板的Ⅰ型層間斷裂韌性，分析了預浸料／液體成型層界面處纖維取向角度對層間性能的影響，纖維取向角度的設計見表1。

不同纖維取向角度下，共固化液體成型層板的臨界GⅠC如圖10所示。預浸料／液體成型層的界面處預浸料纖維方向均為45°時，可以看到纖維取向為［45／0］，［45／90］的層板GⅠC值較高，即鋪層相差45°時有著更高的臨界GⅠC值；預浸料／液體成型層的界面處液體成型層纖維方向均為0°時，比較纖維取向為［0／0］和［45／0］的層板，鋪層相差45°時有著更高的GⅠC值。因此預浸料／液體成型層界面處的纖維取向相差45°比同向鋪層有更高的抵抗開裂的能力。

圖10 共固化LCM工藝不同纖維取向的臨界GⅠC值Fig.10 Critical GⅠCvalues of laminates by co－cured LCM with different fiber orientation

不同纖維取向角度下，共固化液體成型層板的分層阻抗曲線如圖11所示，可以看到，分層長度在55～65mm范圍內，纖維取向［0／0］的GⅠC值最低，［45／0］，［45／45］，［45／90］層板的GⅠC值相當。分層長度大于65mm后，［45／45］，［45／90］層板的GⅠC值已趨于一恒定值，［45／0］層板的能量釋放率仍不斷增大并明顯超過了其他鋪層。實驗中發現分層長度大于65mm后，纖維取向［45／0］試樣的測試中發生偏軸分層和不穩定擴展，使得GⅠC值偏大，不能再真實反映層間的抵抗裂紋擴展能力。總體上看，［45／90］有著更高的擴展GⅠC值，抵抗裂紋擴展能力更強。

圖11 共固化LCM工藝不同纖維取向的分層阻抗曲線Fig.11 Delamination resistance curves of laminates by co－cured LCM with different fiber orientation

根據上述分析可以看出，纖維取向對共固化層板的層間斷裂韌性影響很大，本實驗范圍內，［45／90］纖維取向的情況有著最大的臨界GⅠC值和較大的擴展GⅠC值，即［45／90］層板有著較高的層間斷裂韌性。

3 結論

（1）采用共固化液體成型工藝成型的層板層內纖維密實，層間富樹脂區不明顯，且缺陷較少，表明兩種樹脂的工藝性匹配良好；兩種樹脂在界面處發生了相互的擴散，但由于黏度差異大，擴散主要發生在層間而沒有深入到層內。

（2）受預浸料／液體成型層界面處兩種樹脂擴散的影響，共固化層板的預浸料／液體成型層間的GⅠC值處于預浸料層板和液體成型層板的平均水平；共固化層板的短梁抗剪強度由短梁抗剪強度較小的一方決定。

（3）共固化層板的預浸料／液體成型層界面處的纖維取向對層間斷裂韌性有著明顯的影響，纖維取向相差45°比同向纖維鋪層有更高的臨界GⅠC值和擴展GⅠC值；實驗范圍內，纖維取向為［45／90］的層間斷裂韌性最高。

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