U形復合材料蜂窩夾層結構成型技術研究

姚麗瑞

摘要：分析了U形復合材料蜂窩夾層結構的特點和工藝難點，通過對工藝方案、共膠接工藝參數(shù)優(yōu)化和內(nèi)蒙皮鋪疊過程中鋪疊預處理和鋪疊防滑移處理，提高零件成型質量。結果表明，在成型U形復合材料蜂窩夾層結構時，選擇先成型外蒙皮，再將蜂窩與內(nèi)蒙皮一起共膠接成型的工藝方案，成型的外蒙皮成型質量好，內(nèi)蒙皮與蜂窩共膠接成型不容易出現(xiàn)缺陷。共膠接工藝選擇加壓0.2 MPa同時全程抽真空，既能提供足夠的共膠接成型壓力，又能保證蜂窩不產(chǎn)生滑移和塌陷等缺陷;在內(nèi)蒙皮鋪疊過程中采用鋪疊預處理及鋪疊防滑移處理能有效防止內(nèi)蒙皮產(chǎn)生褶皺和滑移等缺陷。

關鍵詞：復合材料;蜂窩夾層;工藝;成型技術

中圖分類號：V261

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.043

復合材料比強度、比剛度高，是目前航空航天重要的結構及功能材料[l]。復合材料夾層結構具有密度小、彎曲剛度大、抗失穩(wěn)能力強、隔熱隔音等優(yōu)點，因此在航空航天非主承力結構上得到了廣泛應用[2]。蜂窩夾層結構復合材料是目前所知的最節(jié)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l% - 5%，它是一種用料省、耗能小的極具潛力的輕質材料[3]。

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U形蜂窩夾層結構特點及工藝難點

1.1 結構特點

U形蜂窩夾層結構由外蒙皮、內(nèi)蒙皮及蜂窩芯組成，外蒙皮、內(nèi)蒙皮材料為ZT7G/LT-03A碳纖維單向帶環(huán)氧預浸料，蜂窩芯材為NRH-2-48芳綸紙蜂窩。U形蜂窩夾層結構截面如網(wǎng)1所示。

1.2 工藝難點

在U形復合材料蜂窩夾層結構制造過程中，容易出現(xiàn)脫粘、鋪層褶皺、蜂窩滑移等缺陷[4]，為了使蜂窩區(qū)板一芯膠接質量良好的同時，保證板一板膠接區(qū)域的膠接質量，需要在保證蜂窩不滑移的前提下，對U形蜂窩夾層結構外蒙皮及內(nèi)蒙皮進行充分加壓，因此工藝方案的選擇非常重要。

為保證蜂窩區(qū)不產(chǎn)生滑移和塌陷，且最大程度對蒙皮區(qū)域進行加壓，工藝參數(shù)的選擇非常重要。

U形蜂窩夾層結構內(nèi)蒙皮在蜂窩上及U形結構底部容易褶皺和滑移，產(chǎn)生缺陷，如何控制內(nèi)蒙皮在成型過程中的褶皺及滑移，也是一個工藝難點。

2 工藝方案選擇

U形蜂窩夾層結構要保證蜂窩區(qū)板一芯膠接質量良好的同時，還要保證板一板膠接區(qū)域的膠接質量。由于U形蜂窩夾層結構的外蒙皮一般為氣動面，因此選擇先成型外蒙皮，再將蜂窩與內(nèi)蒙皮一起共膠接成型的工藝方案。該工藝方案的優(yōu)點是外蒙皮成型質量好、內(nèi)蒙皮與蜂窩共膠接成型不容易出現(xiàn)缺陷。

熱壓罐復合材料成型需工裝保證零件的尺寸及成型質量，因此復合材料模具的設計制造對產(chǎn)品質量影響較大[5]。在成型外蒙皮時，采用金屬陽模成型，在內(nèi)蒙皮與蜂窩共膠接過程中，采用陰模成型，將固化好的外蒙皮先放人U形陰模中，然后將蜂窩、膠接和內(nèi)蒙皮依次鋪放，封裝后進入熱壓罐成型。

3 工藝參數(shù)選擇

熱成型工藝參數(shù)的選擇對整個零件的固化過程影響非常大[6-8]。工藝參數(shù)包括成型壓力、溫度、固化時間及升降溫速率等，其中壓力的選擇十分重要，在膠接共固化時，需要選擇合適的成型壓力，在不造成蜂窩的滑移和塌陷的前提下，最大程度地對零件進行加壓。

選用ZT7G/LT-03A碳纖維單向帶環(huán)氧預浸料及底角為17。的NRH-2-48芳綸紙蜂窩進行工藝試驗，采用不同工藝參數(shù)進行共膠接成型，結果如表1所示。

從表1可以看出，加壓0.3 MPa時，由于壓力過大，共膠接過程中產(chǎn)生的側向分力導致蜂窩發(fā)生滑移或塌陷。加壓O.1 MPa時，預浸料在熱成型過程中壓力較小，預浸料包裹的氣體和樹脂固化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)份等無法排出從而導致無損檢測發(fā)現(xiàn)孔隙缺陷。而加壓0.2 MPa并抽真空時，共膠接過程能夠提供預浸料足夠的成型壓力，同時又沒有產(chǎn)生蜂窩滑移和塌陷。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(chǎn)生的揮發(fā)份無法通過抽真空路徑排出，所以存在內(nèi)蒙皮孔隙缺陷。

4 內(nèi)蒙皮鋪疊

U形蜂窩夾層結構內(nèi)蒙皮在蜂窩上及U形結構底部容易褶皺和滑移，產(chǎn)生缺陷。一般在內(nèi)蒙皮鋪疊過程中，采用鋪疊預處理及鋪疊防滑移處理。

鋪疊預處理是為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，對預浸料鋪層進行多次抽真空操作。根據(jù)對比試驗，內(nèi)蒙皮鋪疊時每層抽真空20 min與每四層抽真空20 min相比，能有效減少內(nèi)蒙皮的缺陷。

鋪疊防滑移處理是在內(nèi)蒙皮鋪疊時，將內(nèi)蒙皮鋪疊尺寸加寬，在模具余量區(qū)域形成“防滑條”鋪層，以減少內(nèi)蒙皮滑移同時減小U形蜂窩夾層結構的變形，如圖2所示。

5 結論

在成型U形復合材料蜂窩夾層結構時，選擇先成型外蒙皮，再將蜂窩與內(nèi)蒙皮一起共膠接成型的工藝方案。該工藝方案的優(yōu)點是外蒙皮成型質量好，內(nèi)蒙皮與蜂窩共膠接成型不容易出現(xiàn)缺陷。共膠接工藝選擇加壓0.2 MPa，同時全程抽真空，既能夠提供足夠的共膠接成型壓力，又能保證蜂窩不產(chǎn)生滑移和塌陷等缺陷。在內(nèi)蒙皮鋪疊過程中采用鋪疊預處理及鋪疊防滑移處理，能有效防止內(nèi)蒙皮的褶皺和滑移。

參考文獻：

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