復雜曲面夾層結構復合材料制件成型工藝研究

摘 要：以復雜曲面大尺寸蜂窩夾層結構復合材料制件為研究對象，考察了復雜曲率形狀的蜂窩夾層結構制件的成型工藝，以及不同共膠接工藝參數對復合材料制件質量的影響。結果表明：對于等厚度、曲率變化大的蜂窩夾層結構，采用共膠接的成型方法成型內蒙皮時，采用卸真空的工藝會導致內蒙皮內部質量較差，而采用抽真空的工藝并選用合適壓力的工藝方法，會保證內蒙皮成型質量好的同時又能滿足蜂窩芯的抗壓要求。

關鍵詞：復雜曲面；復合材料；蜂窩夾層；空隙密集

蜂窩夾層結構是一種特殊的復合材料結構，是由多層面板之間夾一層蜂窩芯子并用膠粘劑在一定壓力和溫度下復合而成的整體剛性結構。因其具有彎曲強度大、抗剪切失穩能力強、重量輕的優勢，被廣泛應用于對性能和重量有特殊要求的航天、航空結構中。

隨著復合材料技術的快速發展，復合材料在飛機結構中的運用越來越廣泛[1]，其主要的一個目的就是為了減重。采用整體成型大型復合材料可有效降低成本，減少緊固件和零件的數量，對整體減重有很好的效果[2]。目前對實體復合材料整體成型技術的研究較多，針對蜂窩夾層結構整體成型的文獻比較少，尤其對大型復雜曲面夾層結構復合材料整體成型的報導更少。文章研究了某型號用設備艙口蓋蜂窩夾層制件的研制，對不同固化工藝參數對夾芯結構制件質量的影響做了考察，為以后工程應用中研制各種規格、形狀的夾芯結構制件提供了參考。

1 蜂窩夾層結構制件的結構、形狀、材料及制造難點

1.1 蜂窩夾層結構制件的結構、形狀、材料

蜂窩夾層零件外形尺寸為：4450mm×2500mm×760mm。主要外形尺寸特點：尺寸大、型面復雜，主要由外蒙皮、膠粘劑、蜂窩芯、膠粘劑、內蒙皮和加強板及墊板組成，其中內外蒙皮面板材料為T300/BA9913預浸料，內外蒙皮鋪層均為[-45/0/+45/90]s。T300/BA9913預浸料含膠量為31±2%，固化后單層厚度為0.125mm，由中航復合材料有限責任公司生產，其層壓板標準固化工藝規范見圖1。內外蒙皮中間為Nomex芳綸紙蜂窩芯材：蜂窩規格NRH-2-48（0.05），高度6mm，由中航復合材料有限責任公司生產，制件四周蜂窩有不同角度的斜切角；內外蒙皮之間在蜂窩的外側有一圈加強板，加強板材料為T300/BA9913預浸料，加強板鋪層為[-45/0/+45/90]s。板-板區用J-272B膠膜膠接：厚度（0.18±0.02）mm，面密度：（220±30）g/m2，紗網載體膠膜，黑龍江石化所；板-芯區用J-272C膠膜膠接：厚度（0.25±0.02）mm，面密度：（300±30）g/m2，紗網載體膠膜，黑龍江石化所；蜂窩拼縫用J-275發泡膠填充：厚度（1.3±0.2）mm，管剪強度（23℃）≥5.5MPa，管剪強度（80℃）≥4.5MPa，黑龍江石化所。

1.2 蜂窩夾層結構成型難點

（1）蜂窩夾層結構的共固化工藝參數的確定；

（2）內外蒙皮內部質量的控制措施。

2 蜂窩夾芯共膠接成型工藝研究

蜂窩夾層結構的共固化工藝參數的確定：

復合材料整體成型最基本的方法是共固化、共膠接、二次膠接技術，也是降低制造成本和發揮復合材料減重的主要技術途徑。共固化技術是指不同的復合材料制件在一次固化中同時完成膠接和固化過程的工藝方法，共膠接是指把一個或多個已經固化成型，另一個或多個未固化的零件通過膠粘劑在一次固化中膠接成一個整體制件的工藝方法，二次膠接技術是已固化了的不同的復合材料制件通過膠粘劑再次固化膠接的過程[3-5]。采用共固化成型蜂窩夾層結構，由于蜂窩芯的原因，蒙皮成型壓力不能太高并且壓力分布不均勻，蒙皮的內部質量難以控制；二次膠接成型方法工序較多，且內外蒙皮預先固化需要兩套模具，成本比較高，并且蜂窩抗側壓能力比較弱，在成型曲率變化比較大、坡度比較陡復雜結構時，蜂窩會出現滑移甚至塌陷等情況，膠接難度大；所以選擇共膠接成型方法成型此蜂窩夾層結構。采用預浸料-熱壓罐成型工藝制備該制件，工藝流程如圖2所示。

其中外蒙皮為貼模面，按圖1所示的固化工藝規范進行單獨固化，成型質量較高。內蒙皮是與外蒙皮和蜂窩芯膠接在一起的同時進行固化。由于蜂窩芯子是一種薄壁、彈性結構，承受載荷過大的時候容易發生撕裂、壓皺、塌陷等缺陷，尤其是在內蒙皮與蜂窩結構共膠接過程中，內蒙皮與蜂窩區所受壓力要一致；如果內蒙皮加壓不夠大會導致內蒙皮質量達不到要求，如果滿足內蒙皮的壓力要求，蜂窩區就會被壓塌，蜂窩邊緣會出現回縮現象，導致復合材料制件報廢，直接帶來經濟損失。

這里工藝件1選用的內蒙皮共膠接工藝為：室溫抽真空，加壓至（+0.1±0.02）MPa，通大氣，加壓至（+0.2±0.02）MPa，升溫至120（0～+5）℃，保溫2小時，降至70℃以下，壓力降至+0.1MPa，抽真空至-0.1MPa，壓力降至0，開門關機憋真空。0.5℃/min≤升溫速率≤1.5℃/min，降溫速率≤1.5℃/min。此工藝過程，在室溫條件下依靠真空使蜂窩芯與蒙皮貼連緊密并固定不產生位置滑移，但隨著溫度逐漸升高，采用加壓的方法替代真空，一方面可以繼續對蜂窩夾層結構施加壓力，另一方面可以消除升溫過程中真空對蜂窩內部結構可能造成的負作用。按此工藝成型出的內蒙皮內部質量較差，無損檢測有多處超標缺陷。

通過工藝件1的檢測結果來看，以上工藝不利于內蒙皮的內部質量，可能是由于固化過程中卸掉真空，不利于內蒙皮內部空氣的趕出，并且施加的壓力較小，樹脂流動性不好，纖維不易均勻浸潤易造成缺陷。針對此結果，工藝件2增加全程抽真空的環節，并將壓力適當增加，并設85℃保溫臺階。工藝件2選用的內蒙皮共膠接工藝為：室溫抽真空，加壓至（+0.3±0.02）MPa，升溫至85（-10～+10）℃，保溫0.5小時，升溫至120（0～+5）℃，保溫2小時，降至70℃以下，卸壓關機憋真空。0.5℃/min≤升溫速率≤1.5℃/min，降溫速率≤1.5℃/min。按此工藝成型出的內蒙皮內部質量好，經無損檢測未發現超標缺陷，內部質量較工藝件1有了大幅度改善。

因此我們選用工藝件2的工藝成型此制件，按此工藝成型出來的制件無損檢測未發現超標缺陷，蜂窩區未出現塌陷，蜂窩邊緣未出現回縮現象。由此可以看出，按此工藝成型出來的制件既能滿足內蒙皮的內部質量又能滿足蜂窩芯的抗壓要求。

3 結束語

（1）采用T300/BA9913預浸料和NRH-3-48（0.05）蜂窩芯材為原材料的復雜曲面大尺寸蜂窩夾層結構采用共膠接的工藝方法研制出來的制件滿足設計要求，其工藝路線和方案可行。

（2）內蒙皮固化時采用抽真空的工藝方法，并選擇合格的成型壓力，能夠研制出滿足設計要求的制件，該成型方法既能滿足蒙皮的內部質量，又能滿足蜂窩芯的抗壓要求。

參考文獻

[1]王菲，楊博，陳永清，等.大尺寸復合材料翼梁的研制[J].航空制造技術，2015（S1）.

[2]陽燦，周洪飛.石英玻璃纖維布增強BMP350聚酰亞胺樹脂基復合材料性能研究[J].航空制造技術，2014.

[3]陳紹杰.談談復合材料整體成型技術[J].航空制造技術，2005，9.

[4]張紀奎，酈正能，程小全，等.復合材料整體結構在大型民機上的應用[J].航空制造技術，2007，9.

[5]畢紅艷.共固化成型蜂窩夾層結構缺陷分析及工藝改進[Z].北京：中航復合材料有限責任公司，2014.

作者簡介：臺元月（1982，12-），女，山東諸城人，碩士，漢族，中航復合材料有限責任公司，工程師，研究方向：先進復合材料制造技術。