淺析硅橡膠軟模對復(fù)合材料界面韌性的影響

蔣金隆　王海雷

摘 要：硅橡膠類模具已在復(fù)合材料制件的成型中有所應(yīng)用，但此類模具對復(fù)合材料制件的影響尚不明確，文章通過鋼琴鉸鏈法分別對硅橡膠軟模和剛性金屬模成型的復(fù)合材料制件進(jìn)行了層間性能測試，并采用修正的梁理論方法計算了試驗件的層間斷裂能量釋放率，最后通過檢驗的方法推理得出采用硅橡膠軟模作為成型模具對復(fù)合材料零件的GⅠ影響不顯著。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；硅橡膠模具；層間性能

當(dāng)前，復(fù)合材料在飛機上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一，復(fù)合材料制造技術(shù)已成為各國研發(fā)的熱點。[1]復(fù)合材料產(chǎn)品的制造技術(shù)迥異于常規(guī)的金屬材料，復(fù)合材料的成型通常要在模具中完成，在新材料成型的同時，也完成了最終結(jié)構(gòu)（毛坯）的成型。[2]模具技術(shù)是先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展的重要技術(shù)保障。成型模具決定了復(fù)合材料零件的結(jié)構(gòu)、尺寸，保證了零件與其他結(jié)構(gòu)件的裝配關(guān)系，并且在很大程度上影響著制品的內(nèi)部質(zhì)量和表面狀態(tài)，這些都決定了成型模具在復(fù)合材料產(chǎn)品制造過程中起著舉足輕重的作用。

隨著模具技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)合材料成型模具的結(jié)構(gòu)形式也趨于多樣化，如金屬框架式模具、膨脹或收縮模、金屬組合模具及復(fù)合材料模具等?，F(xiàn)代先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基本特點是尺寸大、形狀復(fù)雜，強調(diào)整體性，對制造技術(shù)提出了更高的要求，一般的工藝方法難以適用，而硅橡膠軟模法（膨脹模）成型工藝便很好的解決的這一問題。此工藝是指復(fù)合材料預(yù)制體在閉合剛性陰模中通過軟質(zhì)硅橡膠芯模的熱膨脹變形來實現(xiàn)對復(fù)合材料加壓固化的成型工藝方法。該方法也可用開放式陰模，硅橡膠軟模主要起均壓作用，固化壓力來源于外壓源。由于硅橡膠軟模有很好的變形能力，在某些多腔體結(jié)構(gòu)中，能較好的克服了外壓難以傳遞均勻的缺點，具有不可替代的優(yōu)點。[3]

盡管硅橡膠軟模法成型工藝已有所應(yīng)用，但是作為一種高聚物模具，其在零件高溫固化過程中是否對零件產(chǎn)生其他方面的影響，目前尚不明確，相關(guān)研究十分少見。本文采用兩種固化工藝，即純剛性金屬模具固化成型工藝和硅橡膠軟模的固化成型工藝，分別制備了試驗件，并進(jìn)行了單向纖維增強聚合物基復(fù)合材料Ⅰ型層間斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)試驗，分析對比了兩種工藝成型的復(fù)合材料的界面韌性情況，可以為工程制造人員提供參考。

1 實驗描述

試驗件共分兩組，每組試驗件10件，試驗件具體信息見表1。試驗件尺寸如圖1所示，長度為180±0.5mm，寬度為25±0.5mm。在試件一端的中面鋪入聚四氟乙烯塑料薄膜或與之等效的薄膜得到預(yù)制裂紋，薄膜必須平整且不含脫模劑，厚度不得大于13μm。預(yù)制裂紋長度為63±0.5mm。

試驗采用鋼琴鉸鏈法，試驗件加載方式如圖2所示。典型微裂紋觀察情況如圖3所示，為了便于觀測，在測量長度前采用白色油漆筆將試樣兩側(cè)邊緣涂白，然后沿著試樣邊緣每間隔5mm做標(biāo)記，并延伸到至少超過嵌入物尖端55mm，另外在開始的10mm和最后的5mm處每間隔1mm做標(biāo)記。試驗過程中加載速率恒定為2mm/min，卸載速率恒定為10mm/min。試驗過程中，如果分層偏離試樣中面（預(yù)制裂紋面），則認(rèn)為該試驗結(jié)果無效，并舍去該試樣數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果和分析

表2給出了硅橡膠軟模成型工藝（A組）和剛性金屬模成型工藝（B組）有效試驗件的I型層間斷裂能量釋放率的具體計算結(jié)果，其中，分層偏離試樣中面的試驗數(shù)據(jù)已舍去。

為準(zhǔn)確分析兩種工藝所成型試驗件的層間韌性情況，實驗采用檢驗的方法來確定兩組數(shù)據(jù)是否存在顯著差異。在檢驗之前我們需要確定兩組數(shù)據(jù)的分布，我們假定兩組數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布，則A組：均值XA=0.351，方差SA=0.0437，B組：均值XB=0.351，方差SB=0.0249。

從以上數(shù)據(jù)分析可以看出，采用硅橡膠軟模和剛性金屬模兩種工藝所成型有效試樣的層間斷裂能量釋放率的方差和均值都不存在顯著差異，也即兩種工藝成型試驗件的GI差異不顯著。

3 結(jié)束語

采用硅橡膠軟模作為成型模具對復(fù)合材料零件的GI影響不顯著。硅橡膠軟模的使用很好的解決了復(fù)雜復(fù)合材料制件一次成型難度大的問題，還可以通過均勻加壓來提高復(fù)合材料零件的纖維體積含量，縮小孔隙率，同時方便脫模，對于提高復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本有很大幫助。為滿足某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加壓要求，可以采用硅橡膠軟模代替剛性金屬模具來成型復(fù)合材料零件。硅橡膠軟模作為一種高聚物模具，受溫度和材料體系影響較大，其用于復(fù)合材料零件成型的評價體系尚不完善，所以實際生產(chǎn)中，若考慮大量使用此類模具，應(yīng)首先對其成型的樣件進(jìn)行準(zhǔn)確測評后，再進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]程文禮，梁憲珠，邱啟艷，等.大飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造和檢測技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2008，24：58-61.

[2]章令暉，李甲申，韓宇，等.復(fù)合材料成型模具研究進(jìn)展[J].航天制造技術(shù)，2013，1：13-17.

[3]靳武剛.復(fù)合材料軟模法成型工藝研究與應(yīng)用[J].通信與測控，2003，3：30-34.