復合材料蜂窩夾層結構J形梁共固化成型技術研究

袁 超

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復合材料蜂窩夾層結構J形梁共固化成型技術研究

袁 超

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300）

分析了復合材料蜂窩夾層結構J形梁的結構特點和工藝難點，通過組合工裝的設計，工藝參數的優化和鋪疊過程多次抽真空預處理操作，提高零件成型質量。結果表明，根據復合材料蜂窩夾層結構J形梁設計的包括主體模具、底板蓋板和外腹板軟模的組合工裝，有利于保證零件尺寸及最終成型質量；共固化工藝參數選擇抽真空，加壓0.2 MPa能夠在保證蜂窩不產生滑移的同時，提供足夠的壓力幫助預浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產生的揮發份在樹脂凝膠前排出，制得的零件具有良好的內部質量；在鋪疊過程中進行多次抽真空預處理操作，有利于排出鋪疊過程中預浸料夾裹的氣體，從而減少零件空隙缺陷。

復合材料；J形梁；蜂窩夾層；共固化

復合材料具有比強度高、比剛度大等優點，已成為航空航天領域重要的輕量化結構材料，并廣泛應用于飛機的各個部件，復合材料用量已成為衡量航空飛行器先進性的重要指標之一[1]。蜂窩夾層結構復合材料是目前所知的最節省材料、具有最大的強度重量比的一種結構性材料。與實心材料相比，蜂窩夾層結構復合材料使用的有效材料僅為被替代材料的1%～5%，它顯然是一種用料省、耗能小的極具潛力的輕質材料。蜂窩夾層結構通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成[2]。

一般面板采用強度和剛度比較高的材料，芯子采用密度比較小的材料。夾層結構具有質量輕、彎曲剛度及強度大、抗失穩能力強、耐疲勞、吸音、隔熱等優點，因此，在飛行器結構上得到了廣泛應用。在飛行器設計過程中，往往通過在壁板內部增加J形梁，來提高整體大型壁板的剛性和強度，更有效地提高結構整體質量。

共固化是指將2個或2個以上零件通過一次固化成型，形成整體制件的工藝方法。共固化成型工藝制造成本低，適合制造型面復雜的結構[3]。本文研究的復合材料蜂窩夾層結構J形梁采用共固化成型，外蒙皮、內蒙皮、蜂窩芯材同時一次成型，工藝步驟簡單、工序少。但由于J形梁結構復雜，且蜂窩與蒙皮同時成型不能施加高的成型壓力，所以，最終制件容易產生脫粘或孔隙缺陷。

為了提高最終制件的成型質量，本文分析了J形梁結構特點及工藝難點，并對工裝設計、鋪疊預處理、共固化工藝參數選擇3個方面進行了深入研究，通過優化，最終制成了外表美觀、質量好、無內部缺陷的復合材料蜂窩夾層結構J形梁制件。

1 零件結構特點及工藝難點

1.1 結構特點

J形梁為蜂窩夾層結構，由外腹板、內腹板、底板及蜂窩芯組成，總長4.7 m，寬0.3 m，外腹板、內腹板及底板材料為T300/BA9913碳纖維單向帶環氧預浸料，蜂窩芯材為NRH2-48芳綸紙蜂窩，截面為梯形，高3 mm，底角為14°，位于內腹板與外腹板之間，J形梁截面如圖1所示。

1.2 工藝難點

在復合材料蜂窩夾層結構J形梁共固化過程中，既要保證蜂窩區板芯膠接質量，又要保證無蜂窩緣條區零件質量，需要在保證零件尺寸的同時，對J形梁外腹板、內腹板及底板區域進行加壓。

為保證零件較高的成型質量，需要加大成型壓力，但加壓過大容易造成蜂窩芯的滑移和塌陷，如何選擇適當的成型壓力，既保證零件成型質量，又不造成蜂窩的滑移和塌陷是一個工藝難點。

相比于膠接成型蜂窩夾芯結構，共固化成型夾芯結構對預浸料的含膠量、樹脂流動性[4-5]等要求更為嚴格，相比共膠接和二次膠接成型，共固化成型過程中內腹板及外腹板的成型質量較差，容易產生孔隙缺陷。

1.2.1 組合工裝設計

為了在保證零件尺寸的同時，對J形梁外腹板、內腹板及底板區域進行加壓，自行設計組合工裝，工裝截面如圖2所示。組合工裝包括主體模具、底板蓋板和外腹板軟模。主體模具工作型面與J形梁內腹板型面一致，采用鋼材料由數控加工而成，主要作用為在成型過程中支撐零件，保證J形梁內腹板型面及剛度。底板蓋板由16層T300/BA9913碳纖維單向帶環氧預浸料鋪疊固化而成，與底板外型面一致。由于底板蓋板與底板材料一致，所以，熱膨脹系數相同，能夠在成型過程中保證加壓均勻及最終成型后底板的型面尺寸。外腹板軟模為兩層EW200干玻璃布，玻璃布具有軟性，能在加壓過程中緊貼外腹板面，保證外腹板面均勻加壓，從而保證外腹板面的成型質量。

圖1 J形梁截面示意圖

圖2 組合工裝示意圖

在模具使用過程中，先在主體模具上鋪疊內腹板鋪層，然后將膠膜和蜂窩芯依次置于鋪疊完成的內腹板鋪層上，再在底板蓋板上鋪疊底板鋪層，將帶有底板鋪層的底板蓋板組裝到主體模具上。然后，在蜂窩芯上依次鋪放膠膜和外腹板鋪層，最后再將封裝輔助材料和外腹板軟模蓋在主體模具上進行封裝，最終進入熱壓罐共固化成型。

1.2.2 工藝參數選擇

共固化成型工藝參數對制件成型質量有決定性影響[6-8]。工藝參數需要選擇適當的成型壓力，既保證零件成型質量，又不造成蜂窩的滑移和塌陷。

選用T300/BA9913碳纖維單向帶環氧預浸料及底角為14°的NRH2-48芳綸紙蜂窩進行工藝試驗，采用不同工藝參數進行共固化成型，結果如表1所示。

表1 工藝參數對共固化成型零件的影響

由表1可以發現，加壓0.3 MPa時，由于壓力過大，共固化過程中產生的側向分力導致蜂窩發生滑移。加壓0.1 MPa，雖然蜂窩不產生滑移，但是由于共固化壓力過小，預浸料在熱成型過程中加壓不足，預浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產生的揮發份等無法排出，進而導致無損檢測發現孔隙缺陷。而加壓0.2 MPa并抽真空時，共固化過程中產生的側向分力不足以導致蜂窩滑移，同時，又能在預浸料熱成型過程中提供足夠的壓力，幫助預浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產生的揮發份在樹脂凝膠前排出，所以，無損檢測無缺陷。而加壓0.2 MPa不抽真空，預浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產生的揮發份不易通過抽真空過程排出，所以，存在少量孔隙缺陷。

1.2.3 鋪疊預處理

采用共固化成型蜂窩夾層結構，蒙皮的內部質量相對難以控制。在共固化成型過程中，如果壓力過高，則會導致蜂窩的滑移和塌陷。同時，蜂窩芯的結構導致加壓過程中蒙皮壓力不均勻及加壓困難。上述原因導致鋪疊過程中預浸料夾裹的氣體不易在樹脂凝膠前排出，進而堆積在預浸料層間，出現孔洞、孔隙密集或分層等缺陷。為了減少因預浸料鋪疊過程中包裹的氣體不易排出而造成的缺陷，選擇在預浸料鋪疊過程中，應對預浸料鋪層進行多次抽真空操作，每次抽真空時間25 min。不同抽真空預處理方式制得的零件外腹板孔隙率測試結果對比如表2所示。

表2 鋪疊預處理對制件外腹板孔隙率的影響

由表2可知，每一層抽真空的預處理操作制得的J形梁零件外腹板孔隙率最低，不抽真空制得的J形梁零件外腹板孔隙率最高。多次抽真空的預處理操作有利于排出減少鋪疊過程中預浸料夾裹的氣體，進而降低零件空隙缺陷。

2 結論

根據復合材料蜂窩夾層結構J形梁設計的包括主體模具、底板蓋板和外腹板軟模的組合工裝，有利于保證零件尺寸及最終成型質量；共固化工藝參數選擇抽真空，加壓0.2 MPa能夠在保證蜂窩不產生滑移的同時，提供足夠的壓力，幫助預浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產生的揮發份在樹脂凝膠前排出，制得的零件具有良好的內部質量；在鋪疊過程中進行多次抽真空預處理操作有利于排出減少鋪疊過程中預浸料夾裹的氣體，從而降低零件空隙缺陷。

［1］趙渠森，郭恩明.先進復合材料手冊［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］負欽東.復合材料在飛機上的應用與修理［J］.民航科技，2009（03）：114-116.

［3］畢紅艷，段友社，謝凱文.共固化成型蜂窩夾層結構缺陷分析及工藝改進［J］.航空制造技術，2014（15）：106-109.

［4］Grove S M，Popham E，Miles M E.An investigation of the skin/core bond in honeycomb sandwich structures using statistical experimentation techniques［J］.Composites PartA，2006，37（05）：804-812.

［5］Vadakke V ，Carlsson L A.Experimental investigation of compression failure of sandwich specimens with face/core debond［J］.Composites Part B，2004，35（6/8）：583-590.

［6］陳蔚，成理，葉宏軍，等.Nomex蜂窩夾層復合材料的成型工藝研究［J］.玻璃鋼/復合材料，2017（07）：70-73.

［7］鄭義珠，顧軼卓，孫志杰，等.Nomex蜂窩夾層結構真空袋共固化過程蜂窩變形［J］.復合材料學報，2009，26（04）：29-35.

［8］原崇新，李敏，顧軼卓，等.蜂窩夾層結構真空袋共固化工藝過程實驗研究［J］.復合材料學報，2008，25（02）： 57-62.

S251

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.102

2095－6835（2018）22－0102－02

袁超（1987—），男，碩士，工程師，研究方向為樹脂基復合材料成型。

〔編輯：張思楠〕