蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的共固化成型工藝

◎王德龍◎

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的共固化成型工藝

◎王德龍◎

本文以蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料共固化技術(shù)為研究對象，分別對合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的破壞模式與原因，共固化工藝及選用材料以，最后對環(huán)氧樹脂的固化機(jī)理與條件進(jìn)行了討論。

為了滿足上述要求，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，對夾層結(jié)構(gòu)提出的要求越來越多，使其不僅可以承受結(jié)構(gòu)載荷，同時(shí)要求其不斷的變換形狀，以適應(yīng)不同航空航天器的需求。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

觀察夾層結(jié)構(gòu)就可以發(fā)現(xiàn)，其最初的設(shè)計(jì)來源于昆蟲的仿生學(xué)，根據(jù)航空航天事業(yè)對板材的特殊要求發(fā)展起來的。

夾層結(jié)構(gòu)顧名思義，就是由以面板材料為上下框架，之間填充夾層(夾芯)材料為主，二者一起構(gòu)成了夾層機(jī)構(gòu)主要部分（圖1）。目前來看，夾層材料的選用多為輕質(zhì)木材、塑料泡沫及蜂窩三種。在飛機(jī)的夾層結(jié)構(gòu)中，以板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料最為常見，同時(shí)，這種鋁質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的夾芯材料的形狀多種多樣，常見的有六方柱體、菱柱、長方體及圓柱體等幾種。六方柱體是其中最為常見的結(jié)構(gòu)形態(tài)，其具有美觀的外表，也可以最大程度節(jié)省材料，結(jié)構(gòu)型式簡單且高效，特別是其可以抵抗高強(qiáng)度的壓力和拉力，因此被廣泛使用。

共固化工藝及選用材料

作為復(fù)合材料的關(guān)鍵構(gòu)成部分，基體發(fā)揮著舉足輕重的作用，因?yàn)樗言鰪?qiáng)材料結(jié)合成為一個(gè)整體，通過傳遞載體，均布載荷從而決定了復(fù)合材料的諸多重要性能。

圖1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖

固化材料通常指含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的環(huán)氧基，并且它的骨架以脂環(huán)族或芳香族等有機(jī)化合物為主，通過環(huán)氧基反應(yīng)來形成熱固性產(chǎn)物的高分子低聚體的叫做環(huán)氧樹脂。它的特點(diǎn)在于從液態(tài)到勃稠態(tài)再到固態(tài)，一種具有多種形態(tài)的物質(zhì)，加熱時(shí)呈塑性，熔點(diǎn)不明顯，受熱軟化并逐漸熔化而發(fā)勃，遇水不相溶。因?yàn)樗旧聿粫不詥为?dú)使用它時(shí)沒有什么價(jià)值，只有通過和固化劑發(fā)生反應(yīng)并生成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固態(tài)聚合物時(shí)，它的使用價(jià)值才回顯現(xiàn)出來。因此，環(huán)氧樹脂應(yīng)歸為熱固性樹脂，網(wǎng)狀聚合物的范圍內(nèi)。

在常用的環(huán)氧樹脂中，有雙酚A型環(huán)氧樹脂(E型)、酚醛環(huán)氧樹脂(F型)和雙酚F型環(huán)氧樹脂這三種，其中雙酚A型環(huán)氧樹脂是最主要的，在環(huán)氧樹脂的總產(chǎn)量中其比例高達(dá)90%。在本文論述中，所涉及的環(huán)氧樹脂E51是雙酚A型環(huán)氧樹脂的一種。

環(huán)氧樹脂的固化機(jī)理

環(huán)氧樹脂與多元胺產(chǎn)生固化反應(yīng)時(shí)，環(huán)氧基上的碳氧鍵及氨基的氮?dú)滏I斷鍵形成碳氮鍵，剩下一個(gè)氫基，生成物也含有活潑氫，這就是其能夠與環(huán)氧樹脂繼續(xù)反應(yīng)，并且在環(huán)氧樹脂與氨基固化過程中生成的氫基成為催化劑促進(jìn)了固化反應(yīng)的進(jìn)程，所以在胺類作為環(huán)氧樹脂的固化劑時(shí)，其反應(yīng)速率很快，反應(yīng)時(shí)間也縮短。在物質(zhì)的固化反應(yīng)過程中，分子幾乎同時(shí)反應(yīng)，之后固化劑與環(huán)氧樹脂分子以N原子作為交聯(lián)點(diǎn)繼續(xù)交聯(lián)，最終成為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基與固化劑中氨基反應(yīng)時(shí)比例為1:2，所以根據(jù)比例即可計(jì)算固化劑的使用量m。在固化劑中適當(dāng)添加低分子聚肽胺651可以調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂的韌性，其原理是聚肽胺所具有的長鏈結(jié)構(gòu)是體系具有更多的產(chǎn)物交聯(lián)點(diǎn)，從而增加交聯(lián)度。

固化條件

預(yù)處理階段，將固化劑混入樹脂后恒溫60℃加熱1h，這個(gè)做法主要目的是固化劑與樹脂中的小氣體分子。

固化時(shí)間與固化溫度，前期試驗(yàn)的結(jié)果顯示，此次實(shí)驗(yàn)中，具體的固化過程是，第一步采用400℃的溫度下恒溫1h，這一步驟目的是為了讓固化劑與樹脂混合的均勻度提高，同時(shí)去除小氣泡，這段時(shí)間為樹脂固化適用時(shí)間。第二步是在600℃的溫度下恒溫2h，這個(gè)期間固化劑與樹脂初步進(jìn)行反應(yīng)，并且失去流動性成為凝膠狀態(tài)。最后一步就是在700℃的溫度下恒溫1h，期間固化劑充分地與樹脂進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)物的強(qiáng)度達(dá)到最高值。整個(gè)過程的溫度變化如圖2所示。

圖2 固化時(shí)間與溫度控制關(guān)系

總體來看，之所以前期需要做試驗(yàn)，固化溫度會影響固化的反應(yīng)速率及體系粘度。固化溫度過高，會導(dǎo)致固化的反應(yīng)速率過快從而殘留小氣泡，固化溫度過低則會導(dǎo)致體系粘度過大從而殘留小氣泡。

（作者單位：中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司）