超聲壓緊對低能電子束分層固化復合材料質量的影響

張小輝,段玉崗,李超,張靜靜,趙新明

(西安交通大學機械工程學院,710049,西安)

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超聲壓緊對低能電子束分層固化復合材料質量的影響

張小輝,段玉崗,李超,張靜靜,趙新明

(西安交通大學機械工程學院,710049,西安)

針對低能電子束分層固化復合材料層間孔隙缺陷導致層間剪切強度較低的問題,設計了超聲壓緊裝置。該裝置通過壓頭將超聲波作用于預浸帶鋪層上,配合低能電子束固化系統制作復合材料層合板,并研究了超聲壓緊參數對復合材料質量的影響。實驗結果表明,超聲振動在壓緊過程中產生的機械效應和熱效應可有效減少孔隙,增強纖維與樹脂的界面結合性能,提高層間剪切強度,從而改善復合材料試件質量。其中,振幅對復合材料孔隙率及層間剪切強度影響最大,當超聲振幅為7.5 μm時,試件致密性明顯改善,孔隙率降至1.80%,層間剪切強度提高11.7%;壓緊力影響相對較小,當壓緊力從100 N到220 N變化時,層間剪切強度只有3.64%的提高,孔隙率在2.62%以下。過大的振幅與壓緊力都會引起壓緊過程中預浸帶溫度升高,導致樹脂固化度提高,滲透性變差,孔隙率增加,使復合材料質量降低。

低能電子束;超聲壓緊;復合材料;孔隙;層間剪切強度

碳纖維增強樹脂基復合材料在航空航天、能源裝備、交通運輸等領域的應用越來越廣泛[1-2],但是傳統的熱壓罐固化工藝周期長、能耗高、成本高,限制了碳纖維增強樹脂基復合材料的應用。近年來,電子束固化逐漸成為樹脂基復合材料固化工藝的一個研究方向[3-5]。其中,高能電子束固化研究開展較早,工藝比較成熟,如加拿大航空公司利用高能電子束固化技術修復了空客A320飛機整流罩[6];美國軍方采用高能電子束固化技術實現了導彈殼體、裝甲車側板及全復合材料概念車等的制備[7];文獻[8-9]研究表明,電子束固化復合材料具有優異的綜合性能。但是,高能電子束輻照強度大,屏蔽系統復雜,成本較高,而低能電子束由于輻射強度小,成本低的優勢引起了研究者的興趣。文獻[10-11]將低能電子束設備集成到自動鋪帶機上,制備出了宇航飛機火箭助推器檢修艙門蒙皮。文獻[12]研究了低能電子束對復合材料沖擊性能的影響。與熱壓罐固化工藝中樹脂因熱壓而產生流動以消除孔隙并獲得致密層壓結構不同,低能電子束輻照固化溫度較低,樹脂不能充分流動以填補制造過程中產生的空隙,因而低能電子束分層固化復合材料構件層間孔隙較多,層間剪切強度較低[13-14]。針對此問題,本文提出了一種基于超聲原理的壓緊方法,以減少低能電子束分層固化復合材料孔隙并提高層間剪切強度,為低能電子束固化工藝的工程應用提供了參考。

1 實驗材料及方法

1.1 超聲壓緊裝置

超聲振動壓緊裝置為西安交通大學自動纖維鋪放實驗室研制,其超聲振動頻率為20 kHz,振幅為0～15 μm,壓緊夾角(超聲壓頭與鋪層之間的夾角)為30°～120°可調,壓緊寬度為100 mm,壓緊力為0～600 N,超聲壓頭移動速度為0～10 mm/s。超聲壓緊裝置的工作原理是通過壓頭將超聲振動傳遞到預浸帶鋪層中,以消除孔隙、增強層間性能。

1.2 原材料

電子束固化預浸帶由北京航空材料研究院制備,其中碳纖維采用東麗公司的T700,樹脂采用北京航空材料研究院研制的電子束固化樹脂EB99-1。復合材料預浸帶厚度為0.125 mm,樹脂質量分數為(35±3)%。

1.3 試件制備

首先,預浸帶采用電子束雙面輻照,然后通過超聲壓緊裝置將預浸帶壓緊并固化,經過逐層累加成型,如圖1所示。最后,固化成型后的復合材料層合板在160 ℃恒溫加熱烘箱保溫30 min進行后固化處理。低能電子束系統(型號為EB250-2DSF-150)由美國AEB公司生產,電壓為0～150 keV可調,束流為0～25 mA。

圖1 低能電子束分層制造工藝流程圖

1.4 層間剪切強度測試

層間剪切強度根據ASTM D2344[15]進行測試,實驗設備為Instron4467,加載速率為1 mm/min,試件尺寸為40 mm×12 mm×6 mm。層間剪切強度τ=3P/4bh,其中P是加載過程中的最大載荷(N),b為試件寬度(mm),h為試件厚度(mm)。

1.5 微觀形貌及孔隙率觀測

采用掃描電子顯微鏡S-3000N對復合材料層壓板層間剪切破壞形貌進行觀察,利用美國Sonoscan超聲波無損檢測設備D9500檢測復合材料孔隙缺陷,超聲探頭的頻率為15 MHz。

1.6 固化度測試

采用瑞士Mettler-Toledo差示掃描量熱儀(型號為DSC1)測試預浸帶的固化度,測試溫度范圍為-50～350 ℃,升溫速率為20 ℃/min。

2 結果與討論

2.1 振幅對孔隙及ILSS的影響

在振幅分別為0、5、7.5、10 μm,壓緊力為140 N,鋪放夾角為90°和壓頭移動速度為10 mm/s的工藝參數下,進行超聲鋪層實驗,層壓板的層間剪切強度如圖2所示。

由圖2可知,隨著超聲振幅的增加,層壓板層間剪切強度呈現先增加后減小的趨勢;當振幅達到7.5 μm時,層壓板的層間剪切強度值最大,相比不采用超聲振動的層壓板(振幅為0 μm),層間剪切強度提高了約11.5%。圖3是不同振幅所制備試件的孔隙宏觀分布圖,其中黑色表示孔隙,孔隙最小測量尺寸為0.13 mm。根據超聲無損檢測結果分析,當振幅分別為0、5、7.5和10 μm時,其孔隙率分別為8.07%、5.39%、1.80%和7.65%(能量閥值為35,能量范圍為0～127,探頭頻率為15 MHz)。圖4為不同振幅所制備試件的微觀孔隙分布SEM照片,從中可以看出,當振幅為7.5 μm時,復合材料試件中的樹脂和纖維分布均勻。結合圖5破壞界面SEM照片發現:當振幅為7.5 μm時,樹脂與纖維斷裂呈鋸齒狀,且分布均勻,樹脂與纖維結合度較好;當振幅為5、10 μm時鋸齒斷裂比例減小且不均勻,試件孔隙缺陷較多,出現了樹脂與纖維局部分離的破壞形式。因此,孔隙分布與ILSS測試結果相對應,即孔隙率高的試件ILSS較低,反之亦然。

圖2 不同振幅制備試件層間剪切強度

根據以上結果,超聲振動壓緊作用可有效消除氣泡,減少復合材料孔隙率,同時也發現超聲振動熱效應非常明顯。熱效應作用使預浸帶溫度升高(圖6所示),從而使得樹脂滲透性增強,其與超聲的機械作用共同使復合材料中樹脂與纖維的界面結合程度增加,從而較大程度地改善了復合材料層間剪切強度。從圖6可知,當振幅較小時,熱效應作用較小,當振幅增大到10 μm時,熱效應使得溫度上升到60 ℃以上,這會導致電子束輻照后的預浸帶進一步發生固化交聯反應。這一現象可以從圖7中的DSC測試曲線得到證明,當溫度超過60 ℃(二次固化引發點)后,經過電子束輻照的預浸帶會發生進一步聚合。從圖7可知,超聲振幅越大,試件的反應放熱越小(即圖中曲線下的陰影面積越小)。這表明隨著超聲振幅的增大,預浸帶溫度不斷增加,使得它的固化反應加劇,從而固化度也得到提高(如圖8所示)。因而,預浸帶鋪層之間用于進一步交聯的活性官能團數量隨振幅增加而下降,最終必然導致預浸帶層與層之間的結合強度下降。

(a)0 μm (b)5 μm (c)7.5 μm (d)10 μm圖3 不同振幅制備試件的孔隙宏觀分布圖

(a)0 μm (b)5 μm (c)7.5 μm (d)10 μm圖4 不同振幅制備試件的孔隙微觀SEM照片

(a)0 μm (b)5 μm (c)7.5 μm (d)10 μm圖5 不同振幅制備試件分層斷面SEM照片

圖6 超聲振幅對預浸帶鋪層溫度的影響

圖7 DSC測試曲線

圖8 超聲振幅對預浸帶鋪層固化度的影響

2.2 壓緊力對層壓板層間剪切強度的影響

在壓緊力分別為100、140、180、220 N,壓頭移動速度為10 mm/s,振幅為7.5 μm,鋪放夾角為90°的工藝條件下,進行超聲振動電子束分層固化鋪層實驗,所得層壓板的層間剪切強度分布如圖9所示。由圖可知,隨著壓緊力的增加,試件層間剪切強度變化不是很大,其變化幅度僅為3.64%。當壓緊力為180 N時,試件層間剪切強度達到了最高值68.2 MPa。

圖9 不同壓緊力制備試件層間剪切強度

圖10為采用不同壓緊力所制備的復合材料試件的孔隙宏觀分布圖。根據超聲無損檢測結果分析,當壓緊力為100、140、180和220 N時,其孔隙率分別為2.62%、1.67%、2.06%和6.21%(能量閥值為35,能量范圍為0～127,探頭頻率為15 MHz)。由圖10可知,壓緊力在100～180 N之間時,層間孔隙相對較少,分布較均勻,差異較小;當壓緊力大于180 N時,層間孔隙開始增多,出現局部孔隙缺陷較大的現象。圖11為不同壓緊力所制備試件的微觀孔隙分布SEM照片。由圖11d也可看出,當壓緊力為220 N時,孔隙微觀結構尺寸也有所增大。圖12為不同壓緊力制備試件分層界面SEM照片。由分層界面的微觀形貌可以發現:當壓緊力在100～180 N之間時,分層斷面鋸齒狀形貌明顯,隨著壓緊力的增加,樹脂與纖維分布均勻性越來越好;當壓緊力為220 N時,雖然仍有鋸齒狀形貌存在,但開始出現樹脂與纖維分布均勻性變差的現象。造成上述現象的原因在于,在同一振幅條件下,壓緊力越大, 超聲振動裝置的功率越大。隨著超聲功率的增大,更多的超聲波能量轉換為熱能,促使預浸帶鋪層溫度升高。從圖13可以看出,當壓緊力超過180 N時,預浸帶的溫度超過了60 ℃。這使得預浸帶開始產生進一步固化反應,固化度逐漸提高,從而使樹脂滲透性變差,最終導致層合板層間纖維與樹脂分布不均(圖12d中橢圓圈所示),孔隙缺陷增多,層間性能下降。因此,在同一振幅條件下,壓緊力主要通過預浸帶的溫升影響樹脂分布的均勻性,選擇合適的壓緊力可保證鋪層過程中樹脂和纖維良好的界面結合性與分布均勻性。

(a)100 N (b)140 N (c)180 N (d)220 N圖10 不同壓緊力制備試件的孔隙宏觀分布圖

(a)100 N (b)140 N (c)180 N (d)220 N圖11 不同壓緊力制備試件的孔隙SEM照片

(a)100 N (b)140 N (c)180 N (d)220 N圖12 不同壓緊力制備試件分層界面的SEM照片

圖13 壓緊力對預浸帶鋪層溫度的影響

3 結 論

(1)改變超聲振動壓緊預浸帶鋪層方式可改善低能電子束分層固化層合板層間剪切強度。超聲振動壓緊方式能夠有效消除復合材料層間孔隙;同時,通過將超聲能轉換為熱能,使預浸帶溫度升高,促進了復合材料中樹脂與纖維界面的結合,兩者共同作用,提高了復合材料層間剪切強度。

(2)超聲波振幅對低能電子束分層固化復合材料性能影響很大。當振幅為7.5 μm時,復合材料中的孔隙數量明顯減少,層間剪切強度提高11.5%,而壓緊力對復合材料性能影響較小。

(3)當鋪放過程中采用過大的振幅與壓緊力時,熱效應引起預浸帶溫度升高,使預浸帶固化度提高,樹脂滲透性變差,從而導致層間剪切性能下降。

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(編輯 杜秀杰)

Effect of Ultrasonic Compaction on Quality of Composite Stepwise Cured by Low-Energy Electron Beam

ZHANG Xiaohui,DUAN Yugang,LI Chao,ZHANG Jingjing,ZHAO Xinming

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To improve the interlaminar shear strength (ILSS) of composite cured by low-energy electronic beam, the ultrasonic compaction mechanism is designed to fabricate laminate with low-energy electronic beam curing system, which transmits the energy of ultrasonic to the prepreg layers.The effects of ultrasonic compaction parameters on voids and ILSS are analyzed.Experiments show that the mechanical effect and heating effect are produced in ultrasonic compacting process, which eliminate interlaminar voids and enhance bonding strength of fibers and resin, then improve the quality of the composite.When the laminate layers are compacted with 7.5 μm ultrasonic amplitude, the laminate’s ILSS is 11.7% higher than that of the laminate fabricated without ultrasonic compaction, and the void content is reduced to 1.80%.When the compacting force changes from 100 N to 220 N, ILLS is only improved by 3.64% and the void content gets under 2.62%.Larger amplitude and compacting force will induce increasing resin cure degree due to the rising temperature, resulting in lower resin permeability and ILSS.

low-energy electron beam; ultrasonic compaction; composite; voids; ILSS

2014-09-11。 作者簡介:張小輝(1980—),男,博士生;段玉崗(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家重大科技專項資金資助項目(2014ZX04001091);國家“863計劃”資助項目(2012AA040209);教育部新世紀優秀人才支持計劃資助項目(NCET-11-0419)。

時間:2015-02-27

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150227.0845.009.html

10.7652/xjtuxb201504022

TB332

A

0253-987X(2015)04-0134-06