不同黏度樹脂基復(fù)合材料軟模成型設(shè)計(jì)與缺陷控制

郭鴻俊 高 楊 辛 紅 高小方 李桂洋

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）（2 火箭軍駐519廠軍事代表室，北京 100076）

0 引言

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航天運(yùn)輸系統(tǒng)及導(dǎo)彈武器系統(tǒng)承力結(jié)構(gòu)部件，但傳統(tǒng)熱壓罐工藝存在設(shè)備成本高、運(yùn)行能耗大、成型效率低、構(gòu)件尺寸受限及模具費(fèi)用高等缺點(diǎn)，導(dǎo)致復(fù)合材料制造成本過高（約占總成本的70%～80%[1-3]），不利于制備工藝的進(jìn)一步提高。目前，樹脂基復(fù)合材料低成本制造聚焦于非熱壓罐工藝技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用[4-7]，例如RTM、真空固化、模壓成型及軟模成型工藝。其中閉合模軟模成型工藝不需要附加真空和壓力，利用硅橡膠芯模產(chǎn)生均勻膨脹壓力對(duì)復(fù)合材料預(yù)制體加壓，通過烘箱進(jìn)行加熱固化。該方法適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體共固化成型，解決了多內(nèi)腔/多型面構(gòu)件的整體成型問題[8-10]。

一般情況下，復(fù)合材料多內(nèi)腔/多型面結(jié)構(gòu)在成型過程中容易產(chǎn)生分層、孔隙及疏松等內(nèi)部缺陷，尤其是預(yù)制體拼接點(diǎn)、L形拐角、變厚度過渡區(qū)等特殊部位[11]。雖然硅橡膠芯模能夠產(chǎn)生均勻的膨脹壓力，對(duì)預(yù)制體各型面進(jìn)行加壓，但針對(duì)某些復(fù)雜構(gòu)件仍無法有效避免或減少內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，影響了復(fù)合材料構(gòu)件的承載能力，同時(shí)腔體尺寸不能得到有效控制也限制了閉合模軟模工藝的進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用。

本文以MT700/603與MT700/603B復(fù)合材料體系為研究對(duì)象，并根據(jù)603與603B環(huán)氧樹脂基體黏度的差異，比較其復(fù)合材料軟模成型膨脹壓力、加壓時(shí)機(jī)及固化工藝設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考察兩種不同黏度樹脂基體對(duì)軟模成型的工藝適應(yīng)性，通過某工形支撐梁的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與內(nèi)部缺陷檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證軟模成型工藝設(shè)計(jì)的有效性與穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

MT700-6k碳纖維，河南永煤碳纖維有限公司；603、603B環(huán)氧樹脂及MT700/603、MT700/603B預(yù)浸料（預(yù)浸料厚度0.15 mm）；R10301硅橡膠，成都有機(jī)硅研究中心。

1.2 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

選取某支撐梁為研究對(duì)象，其局部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件如圖1所示。該試驗(yàn)件截面為工字形，尺寸為：200 mm×60 mm×80 mm，腹板厚6 mm，椽板厚4 mm。腹板與椽板不等厚增加了成型工藝難度和質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 某支撐梁試驗(yàn)件截面圖Fig.1 Supporting-beam specimen cross section

1.3 試驗(yàn)件制備

試驗(yàn)件制備過程主要包括預(yù)浸料鋪層、預(yù)制體拼接及模具組裝，如圖2所示。預(yù)浸料鋪層分為腹板（形料塊與椽板-形料塊），其中腹板（形料塊3 mm）鋪層順序?yàn)閇+45o/-45o/0o/90o/0o2/90o/0o/-45o/+45o]2，椽板-形料塊1 mm鋪層順序?yàn)閇+45o/-45o/0o/90o/0o/-45o/+45o]；預(yù)制體通過兩塊腹板（料塊對(duì)襯拼接），上、下面分別鋪覆椽板-料塊，制得工形試驗(yàn)件預(yù)制體；模具組裝是將硅橡膠芯模置于預(yù)制體受壓型面內(nèi)腔，然后鎖緊閉合模腔，待固化。

圖2 某支撐梁試驗(yàn)件制備示意圖Fig.2 Supporting-beam specimen preparation scheme

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器

流變分析：Brookfield DV-II+流變分析儀。掃描電子顯微鏡：德國(guó)ZEISS掃描電子顯微分析儀。光學(xué)顯微鏡：德國(guó)萊卡光學(xué)顯微鏡及成像分析系統(tǒng)，按照GB/T3365—2008進(jìn)行制樣與測(cè)試。超聲波無損檢測(cè)：超聲波無損檢測(cè)系統(tǒng)（A掃描）。

2 結(jié)果與討論

2.1 603與603B軟模成型工藝設(shè)計(jì)

2.1.1 603與603B樹脂黏度特性與固化工藝

MT700碳纖維的表面微觀形貌如圖3所示，明顯可以看出MT700碳纖維表面均勻分布溝槽，纖維表面粗糙度較大，能夠與樹脂基體產(chǎn)生較強(qiáng)的“機(jī)械嚙合力”。這種界面的存在雖然可以提高復(fù)合材料界面性能，但是復(fù)合過程中不利于樹脂基體對(duì)纖維表面的充分浸潤(rùn)，因此，針對(duì)不同黏度的樹脂基體需要適當(dāng)改變成型壓力，以保證纖維與樹脂界面的充分浸潤(rùn)與有效結(jié)合。

圖3 MT700碳纖維表面形貌Fig.3 Surface morphology of MT700 carbon fibers

603與603B均為高性能環(huán)氧樹脂，二者區(qū)別在于基體黏度不同。低黏度603樹脂具有良好的流動(dòng)性，更容易浸潤(rùn)增強(qiáng)體表面，而高黏度603B樹脂則能夠更好地實(shí)現(xiàn)初始加壓，其復(fù)合材料成型工藝性更好。圖4為603與603B樹脂黏-溫度曲線（升溫速率為1℃/min），603樹脂低黏度平臺(tái)較寬，介于100～170℃，其固化過程有利于對(duì)纖維表面的充分浸潤(rùn)，但需要精確控制固化工藝參數(shù)。

圖4 603與603B環(huán)氧樹脂體系黏-溫曲線Fig.4 Viscosity-temperature curves of 603 and 603B epoxy resin

可通過加壓點(diǎn)與凝膠點(diǎn)的準(zhǔn)確配合，以保證復(fù)合材料纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與內(nèi)部質(zhì)量；而603B樹脂最低黏度平臺(tái)出現(xiàn)在120～150℃，固化過程中樹脂流動(dòng)性較差，能夠?qū)崿F(xiàn)初始加壓，不要求工藝參數(shù)的精確配合。為保證復(fù)合材料良好的界面結(jié)合，需要結(jié)合增強(qiáng)纖維表面形貌狀態(tài)，提高成型壓力強(qiáng)迫樹脂流動(dòng)與纖維浸潤(rùn)。

兩種環(huán)氧樹脂參考固化制度均為（135±5）℃/1 h～（180±5）℃/3 h，參考升溫速率（30±5）℃/1 h。由于603環(huán)氧樹脂體系黏度較低，固化過程分為三個(gè)階段，固化時(shí)間17.6 h，如圖5（a）所示。階段（一）中，將溫度設(shè)定為（90±5）℃/1 h，以提高樹脂黏度，避免直接升溫至凝膠點(diǎn)硅橡膠膨脹壓力過大，導(dǎo)致樹脂過度擠出，同時(shí)降低升溫速率也可避免壓力過快升高；階段（二）的溫度為（135±5）℃/2 h，樹脂凝膠與構(gòu)件定型，保證有效的膨脹壓力；階段（三）的溫度為（170±5）℃/4 h，樹脂處于充分固化階段，此時(shí)膨脹壓力對(duì)產(chǎn)品定型作用減小，適當(dāng)降低固化溫度并延長(zhǎng)保溫時(shí)間，以降低芯模膨脹壓力過大而引起的構(gòu)件及模具變形風(fēng)險(xiǎn)。

603B黏度較高，升溫階段壓力逐漸增大不容易引起樹脂的過度擠出，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MT700/603B復(fù)合材料體系進(jìn)行兩階段固化工藝參數(shù)優(yōu)化，如圖5（b）所示，固化時(shí)間僅需要15.2 h，固化周期縮短了13.6%。階段（一）直接升溫至（135±5）℃/1 h，有利于加強(qiáng)纖維與樹脂的致密程度，保證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量；階段（二）（170±5）℃/4 h，保證樹脂充分固化，同時(shí)降低應(yīng)力變形風(fēng)險(xiǎn)。固化過程適當(dāng)降低升溫速率（25±5）℃/h使得硅橡膠芯模充分膨脹加壓，降低局部膨脹不均勻引起的尺寸與缺陷工藝風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。

圖5 603與603B樹脂軟模成型工藝參數(shù)Fig.5 Thermal expansion process parameters of 603 and 603B resin

2.1.2 硅橡膠芯模膨脹壓力設(shè)計(jì)與計(jì)算

R10301硅橡膠澆注性能好，揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，尺寸穩(wěn)定性好，最高使用溫度達(dá)到200℃，選為實(shí)驗(yàn)芯模材料。基體樹脂凝膠時(shí)，芯模膨脹壓力可以表示為[9-10]：

式中，Pgel為樹脂基體凝膠時(shí)芯模的膨脹壓力，k為芯模彈性模量，ΔV為凝膠溫度下芯模加壓有效體積膨脹量，Vgel為硅橡膠芯模從室溫trt至凝膠溫度tgel產(chǎn)生的自由熱膨脹量。Vgel和ΔV可以表示為：

式中，Vrt為室溫下芯模體積，α為芯模體脹系數(shù)，ε為內(nèi)腔設(shè)計(jì)體積與室溫下芯模體積比值，即ε=VD/Vrt。

硅橡膠芯模體脹系數(shù)與彈性模量隨溫度的升高而變化，如圖6所示。硅橡膠體脹系數(shù)隨著溫度的升高先減小后增大，彈性模量隨溫度的升高而降低，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行膨脹壓力設(shè)計(jì)與計(jì)算。

按照Pgel為1、2、4 MPa進(jìn)行硅橡膠芯模壓力計(jì)算，三種壓力模式的計(jì)算結(jié)果列于表1中，進(jìn)一步通過驗(yàn)證試驗(yàn)控制復(fù)合材料厚度尺寸及內(nèi)部缺陷。

圖6 硅橡膠R10301的體脹系數(shù)及彈性模量Fig.6 Volume expansion coefficient and elastic modulus of R10301 silicone rubber

表1 膨脹壓力及工藝間隙設(shè)計(jì)與計(jì)算Tab.1 Design and calculation of expansion pressure and process gap

2.2 603與603B軟模成型工藝

圖7為MT700/603與MT700/603B復(fù)合材料斷面照片。從圖7（a）可看出低黏度603樹脂隨著設(shè)計(jì)壓力的提高，凝膠前樹脂擠出量增大，復(fù)合材料的纖維密實(shí)程度明顯提高，復(fù)合材料產(chǎn)生貧膠缺陷的風(fēng)險(xiǎn)較高；從圖7（b）可看出1 MPa與2 MPa設(shè)計(jì)壓力下的纖維密實(shí)程度基本一致，4 MPa設(shè)計(jì)壓力下的纖維密實(shí)程度有所提高，表明高黏度603B樹脂在凝膠前樹脂不容易被擠出，復(fù)合材料不容易產(chǎn)生貧膠缺陷。對(duì)比兩種材料在相同設(shè)計(jì)壓力下的復(fù)合材料纖維密實(shí)程度，MT700/603均明顯高于MT700/603B，表明MT700/603B體系能夠更好地維持復(fù)合材料內(nèi)部樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖7 MT700/603與MT700/603B復(fù)合材料斷面照片F(xiàn)ig.7 Cross section photograph of MT700/603 and MT700/603B

MT700/603試驗(yàn)件設(shè)計(jì)壓力較低時(shí)，局部加壓不均勻或者壓力不足，容易出現(xiàn)表面富樹脂現(xiàn)象，試驗(yàn)件典型局部分切單元如圖8（a）所示，腹板表面出現(xiàn)壓力不足引起的局部亮斑；設(shè)計(jì)壓力過高則容易造成樹脂過度擠出，容易產(chǎn)生表面貧膠現(xiàn)象，試驗(yàn)件典型局部分切單元如圖8（b）所示，椽板表面出現(xiàn)壓力過大引起的局部干斑。

MT700/603B則表現(xiàn)出較強(qiáng)的工藝適應(yīng)性，設(shè)計(jì)壓力1 MPa與2 MPa均表現(xiàn)出良好的表面質(zhì)量，試驗(yàn)件如圖9所示。可以看出，超聲波無損檢測(cè)結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)缺陷，腹板厚度介于5.90～6.50 mm，椽板厚度2.95～3.30mm，表現(xiàn)出良好的尺寸穩(wěn)定性。

圖8 MT700/603試驗(yàn)件局部單元Fig.8 Local unit of MT700/603specimens

圖9 MT700/603B試驗(yàn)件外觀Fig.9 Appearance of MT700/603B specimens

2.3 支撐梁構(gòu)件工藝驗(yàn)證

基于603與603B軟模成型工藝設(shè)計(jì)與試驗(yàn)基礎(chǔ)，選擇MT700/603B復(fù)合材料體系的硅橡膠軟模膨脹工藝進(jìn)行某支撐梁構(gòu)件的研制，硅橡膠芯模尺寸按照膨脹壓力2 MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)的可行性及可靠性。對(duì)10件井字梁構(gòu)件纖維體積分?jǐn)?shù)及無損檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，纖維體積分?jǐn)?shù)在58.5%～60.3%，符合60%±5%的設(shè)計(jì)要求，無損檢測(cè)結(jié)果列于表2中。

表2 支撐梁構(gòu)件無損檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Nondestructive testing results of supporting-beam

從支撐梁構(gòu)件無損檢測(cè)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，通過芯模膨脹壓力設(shè)計(jì)、不等厚型面壓力分配及固化工藝參數(shù)優(yōu)化等控制措施，復(fù)合材料構(gòu)件的缺陷比例控制在0.5%以內(nèi)，明顯低于2%的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：針對(duì)高黏度MT700/603B復(fù)合材料體系進(jìn)行軟模成型工藝設(shè)計(jì)與缺陷控制，能夠顯著降低構(gòu)件缺陷比例，縮短固化周期。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)603與603B兩種環(huán)氧樹脂的黏度差異，比較膨脹壓力設(shè)計(jì)及固化工藝優(yōu)化方法，高黏度603B環(huán)氧樹脂體系的軟模膨脹成型工藝適應(yīng)性更好，固化周期縮短13.6%。

（2）根據(jù)支撐梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與硅橡膠芯模性能參數(shù)，得到軟模成型膨脹壓力設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化預(yù)制體各型面壓力分配，制定工藝間隙計(jì)算與修正方法。

（3）確定MT700/603B復(fù)合材料軟模成型兩階段固化工藝，凝膠壓力設(shè)計(jì)溫度（135±5）℃能夠保證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量，固化溫度（170±5）℃降低產(chǎn)品變形風(fēng)險(xiǎn)，支撐梁構(gòu)件缺陷比例＜0.5%。