復合材料典型結構梁固化參數研究

李志峰 ，曹 磊

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.哈爾濱飛機工業集團公司，黑龍江 哈爾濱 150066)

復合材料典型結構梁固化參數研究

李志峰1，曹 磊2

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.哈爾濱飛機工業集團公司，黑龍江 哈爾濱 150066)

基于復合材料典型結構梁各原材料組分的粘度-溫度特性曲線和調整后的膠膜材料粘度曲線，對影響產品質量的固化溫度、升溫速率、加壓時機和固化壓力等固化參數進行了大量研究工作，并根據上述固化參數研究結果對產品生產工藝流程進行了優化，最終解決了復合材料典型結構梁研制初期出現的缺陷和由此導致的首件疲勞試驗件提前失效的問題。

復合材料；固化參數；復合材料工藝

0 引言

復合材料因具有重量輕、模量高、長壽命和視情維護等特點，已逐漸應用于國民經濟的各行各業，尤其是在航空航天領域，應用更加廣泛。對于復合材料構件來說，固化參數是影響產品外觀質量和機械性能的重要因素。本文研究對象為復合材料典型結構梁，該梁為直升機的關鍵部件，采用纖維增強復合材料[1]制造，工作中承擔了多個方向的彎曲載荷，具有非線性大變形的特點。在該產品初期試制階段，產品表面和內部皆出現了較大的缺陷，未能通過疲勞試驗考核。后續基于該產品中各原材料的粘溫特性測試結果，設計和工藝人員針對產品固化參數開展了大量研究工作，并基于上述研究結果對產品生產工藝流程進行了優化，最終解決了產品表面和內部存在的缺陷，產品疲勞壽命評估結果也滿足設計要求。

1 產品初期試制情況

該產品由預浸玻璃纖維帶、預浸玻璃布和膠膜經金屬模具加壓、固化爐加溫固化成型。初期5件試制產品表面出現分層和白斑等缺陷，首件疲勞試驗件P-01疲勞考核結果不滿足安全壽命要求。工藝部門按切割檢查要求對首批全部5件試制產品(包括疲勞試驗后的S-02)進行了切割檢查，并用顯微鏡對缺陷剖面內部微觀形貌進行了檢查。

4件試制件表面(S-01、S-03、S-04、S-05)出現分層缺陷(如圖1所示)。剖切后顯微鏡照片可以看出，存在分層缺陷的梁體內部相應膠膜層、預浸玻璃布層和無緯帶層均存在較多非均勻分布的大尺寸孔隙(如圖2所示)，孔隙率為3%左右，不滿足制造要求。

3件試制件表面(S-01、S-04、S-05)出現白斑缺陷(如圖3所示)，剖切后顯微鏡照片可以看出，存在白斑缺陷的梁體內部相應區域存在大量密集分布的細小孔隙(如圖4所示)，孔隙率為3%左右，不滿足制造要求。

圖1 分層缺陷圖2 分層缺陷內部形貌圖3 白斑缺陷圖4 白斑缺陷內部形貌

2 缺陷原因分析

設計、工藝以及相關技術專家結合產品鋪層設計圖紙、原材料入廠復驗結果、工藝實施方案、工人鋪層操作過程和產品固化參數等對上述缺陷產生的原因進行了討論分析，初步判斷產品的固化參數配置存在問題的可能性較大。

復合材料產品的固化參數[2]主要包括固化溫度、升溫速率、固化壓力、加壓點和固化時間，與固化參數配置密切相關的是原材料樹脂粘度及其隨溫度的變化情況。因此，按照相關行業標準，對與首批試制件同一批次號的SZ320樹脂(預浸玻璃纖維帶的基體)、B250樹脂(預浸玻璃布的基體)和J240膠膜的粘溫特性進行了測試。

測試結果(見圖5)顯示，三種材料樹脂粘度存在巨大差異。在凝膠階段85℃恒溫溫度狀態下，J240粘度值約為200 Pa·s，B250樹脂粘度值約為10 Pa·s，SZ320粘度值約為0.5Pa·s。J240膠膜粘度是SZ320樹脂粘度的400倍左右，室溫下合模并加壓加溫后，隨著溫度逐漸升高，粘度較低的SZ320樹脂大量流失，造成了產品表面出現分層和白斑缺陷，產品內部孔隙率超標。

3 材料粘度調整

通過圖5三種材料粘溫特性曲線對比并與原材料供應商協調，降低J240膠膜粘度是比較有效且可行的方法。調整的原則是：保證膠膜J240力學性能不變和其它物理性能基本不變的前提下，調整J240中的樹脂含量，使其粘度盡可能與SZ320匹配。

供應商通過反復調整樹脂含量和粘度測試，給出了J240粘度隨溫度和時間變化曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，雖然J240膠膜粘度已經大幅度降低，但仍比SZ320的高很多，而且分散性較大。因此，后續還需對產品的固化參數配置開展研究。

4 固化參數研究

1) 溫度控制研究

復合材料產品固化成型過程中，溫度的作用是促進樹脂基體固化反應并使固化反應完全。產品固化過程中，樹脂粘度隨溫度升高而發生變化。固化初期樹脂[3]和膠膜的粘度較高，溫度升高后其粘度均緩慢下降，分子克服相互間引力，粘度開始降低。當材料粘度降至最低點后，隨著溫度繼續升高，分子鏈開始相互交聯，粘度開始持續升高。當粘度升高到一定程度便出現凝膠現象，凝膠后的分子運動[4]能力受到很大約束，宏觀上達到了一定硬度。為使固化反應最終完成，必須繼續升高溫度以增加分子運動能力，使分子鏈進一步交聯，達到產品完全固化。

復合材料固化過程中的溫度控制是手段，粘度控制是目的。本項目主要從裝模階段、凝膠階段和后固化階段開展溫度控制研究。

裝模階段，需在室溫與凝膠溫度區間內確定一段適合的溫度范圍使預浸玻璃纖維帶自身、預浸玻璃纖維帶與J240、J240自身間更好地融合并最大限度地排出材料間的氣體。根據三種材料的粘度-溫度-時間曲線(圖5和圖6)，在鋪層時對產品成型模具進行預熱是最簡單且可行的方法。裝模溫度取決于SZ320和J240的粘度特性，過低的裝模溫度無法有效降低SZ320和J240的粘度，過高的裝模溫度既增加鋪層難度，又增加產品進入凝膠階段的隱患。初步分析并經過驗證，裝模階段溫度控制在42℃～50℃是合適且可行的，該溫度范圍既方便工人鋪層操作，縮短成型周期，又可以提高產品的表面質量和力學性能。

凝膠階段，樹脂吸收熱量后，分子快速運動并相互交聯，樹脂粘度隨時間延長而逐漸升高。該階段的溫度控制直接影響產品成型質量，也決定了加壓時機的選擇。該階段溫度應保持恒定，無波動或波動小。根據三種材料的粘度-溫度-時間曲線(圖5和圖6)，初步確定了分別以80℃、85℃、90℃、95℃和100℃5個溫度作為凝膠溫度控制點進行溫度控制研究的試驗方案。工藝部門按上述方案完成了5件縮比試驗件的制造。通過5件縮比試驗件表面質量和切割后剖面孔隙率的綜合對比，確定將產品凝膠階段的恒溫溫度由85℃提高至93℃較為合適。同時，由于材料批次間粘度差異、設備精度和外界環境的影響，為保證凝膠階段固化過程的重復性，初步確定凝膠階段的溫度控制范圍為90℃～96℃。

經分析，試制初期設置的產品后固化階段固化溫度125℃±5℃合理可行。

2) 加壓時機選擇

圖5顯示，同一溫度下SZ320和J240粘度相差懸殊。固化過程中，J240的粘度遠高于SZ320樹脂的粘度，且早于SZ320樹脂進入固化階段，加壓時機應選在J240固化前，且此時的SZ320樹脂還應具有一定的粘性。通過復查發現，S-01、S-04和S-05制件加壓過早，SZ320樹脂反應程度低，粘度低，在壓力作用下樹脂大量流失，局部纖維裸露，形成表面分層和內部孔隙率超標現象；S-03制件加壓過遲，雖SZ320樹脂粘度適中，但此時J240已進入固化階段，合模困難，無法將壓力完整地施加到預浸玻璃帶，造成J240“過熟”，預浸玻璃帶壓力不足，產品出現白斑和內部孔隙率超標現象。

為確定加壓時機，工裝部門專門設計、制造了產品局部段成型工裝。工藝部門確定了采用該工裝分單純預浸玻璃帶材料和預浸玻璃帶與J240組合鋪層兩步，分別從第85min、95min、105min、115min和125min開始加壓，通過10件縮比件確定預浸玻璃帶的加壓時機的方案。上述方案試驗結果表明：5件單純預浸玻璃帶局部段在第85min～115min時間段內加壓可以制出合格產品；5件預浸玻璃帶與J240組合鋪層局部段在第90min～110min時間段加壓可以制出合格產品。根據上述試驗結果，初步確定該產品加壓時機為第90min～110min時間段。

3) 升溫速率優化

升溫速率是產品固化過程中軟化流動階段的重要參數，升溫速率直接影響加壓時機。復合材料本身熱傳導性差，升溫過快易造成產品內部與外表面因固化不均勻而產生內應力，甚至可能導致與模體接觸的產品外表面先固化而產品內部未固化，加壓后產品內部樹脂流動快于表層，固化后產品內部殘存內應力，力學性能降低。同時，升溫過快還不利于產品內部氣體排出，易出現孔隙和分層的現象。升溫過慢，升溫階段將跨過軟化流階段到凝膠階段，這將會縮短凝膠階段，使加壓窗口變窄。為確定合適的加壓時機，測試了SZ320樹脂在60℃、80℃、90℃和100℃4個恒溫溫度下的粘度隨時間的變化情況，測試結果見圖7。根據SZ320樹脂粘度測試結果，結合前期摸索和5件縮比試驗件制造，并充分考慮加壓時間窗口，初步將產品的升溫速率由0.3℃/min～1.5℃/min優化為0.5℃/min～1.2℃/min。

4) 固化壓力控制

產品固化成型過程中，固化壓力使各向同性的樹脂流動以填充型腔，促使型腔內部樹脂與纖維融合，增加產品密實度，排除型腔內部氣體，最終達到保證產品外形尺寸，提高產品表面和內部質量的目的。

為保證生產過程具有良好的一致性，固化壓力控制需要具有良好的精度和重復性。原成型模具采用28個螺栓加壓，人工擰緊時提供的合模壓力均勻性較差且所需時間較長，該過程中模具溫度波動大，樹脂和膠膜固化程度難以控制，易導致合模困難和產品厚度超差。為解決該問題，工藝部門制造了輔助加壓設備(如圖8所示)，采用7組液壓缸提供壓力，該加壓設備壓力穩定易操作。輔助加壓設備為成型模具提供合模力，合模到位后可快速擰緊螺栓為后固化階段提供持續壓力。試驗證明，輔助加壓設備能夠提供足夠的合模壓力，加壓過程瞬間完成，合模間隙均勻，壓力控制滿足工藝要求。

5) 工藝流程優化

按照上述固化參數研究結果和成型工藝改進方案，將加壓時機由鋪層結束后立即加壓調整為在凝膠階段加壓。

固化爐只能為產品提供固化時所需要的熱量，無法提供固化壓力，因此工藝流程需進行相應優化。當產品固化至接近加壓點時，將產品成型模具快速移出固化爐，在爐外通過輔助加壓設備進行加壓并擰緊合模螺栓保持壓力恒定。為既避免延誤加壓時機，又防止模具受爐外環境影響產生溫度波動對樹脂粘度產生影響，該加壓過程應在20 min內完成。加壓合模過程結束后，將成型模具重新移回固化爐，按后續固化參數繼續固化。

5 試驗驗證

按上述工藝改進方案完成了4件全尺寸驗證試驗件的制造。按產品檢驗程序和檢驗要求對該四件驗證試驗件進行了詳細目視檢查和敲擊檢查，表面無積膠、白斑和分層等缺陷，產品表面模壓質量滿足設計要求。

按切割檢查要求對2件全尺寸驗證試驗件進行了切割檢查，也進行了斷口內部形貌顯微鏡檢查，孔隙率(小于1%)合格。

按疲勞試驗件圖紙將2件全尺寸驗證試驗件改造為疲勞試驗件后，在專用疲勞試驗臺上按疲勞試驗載荷譜進行了疲勞摸底試驗，經58萬次疲勞載荷循環后，試驗件未出現破壞，產品剖面剛度基本無下降，疲勞壽命評估結果滿足設計要求。

6 結論

復合材料典型結構梁采用金屬模具模壓成型時，應結合各材料粘溫特性曲線，通過產品試模件、工藝試驗件或典型縮比樣件的摸索確定適合的固化溫度和固化時間。對于已確定的固化溫度和固化時間，應關注在凝膠階段的不同時間點施加壓力對產品表面質量和內部微觀形貌帶來的影響。復合材料典型結構梁產品選材時，應與產品制造部門共同協商，盡可能選用粘溫特性匹配性最優的材料組合，以降低工藝成型時固化參數分析難度，同時節約研制成本并提高生產效率。

[1] 王善元，張汝光，等.纖維增強復合材料[M]. 上海：東華大學出版社,1998.

[2] 陳祥寶. 聚合物基復合材料手冊[M]. 北京：化學工業出版社,2004.

[3] 張玉龍，唐 磊. 環氧膠黏劑[M]. 北京：化學工業出版社, 2010.

[4] 陳 平, 廖明義. 高分子合成材料學[M].北京：化學工業出版社, 2010.

[5] 陳祥寶. 先進復合材料低成本技術[M]. 北京：化學工業出版社,2004.

Cure Parameter Research of Composite Material Type Structure Beam

LI Zhifeng1, CHAO Lei2

(1.China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezhen 333001,China; 2.Haerbin Aircraft Industry Company, Haerbin 150066,China)

The paper based on each component viscidity curve as to temperature of composite material type structure beam and ameliorated cutan viscidity curve，carried out research about cure temperature、rise slop of temperature、pressurise opportunity and cure pressure etc cure parameter, and optimized technical procedure，solved both disfigurement and fatigue test failure phenomenon that composite material type structure beam happened in early stage.

composite material；cure parameter；composite technology

2016-07-12

李志峰(1976- )，男，黑龍江集賢人，本科，高級工程師，主要研究方向：直升機槳葉設計。

1673-1220(2017)01-050-05

V261.97

A