熱壓罐成型復合材料構件曲率半徑對制造缺陷的影響規律

王雪明,李韶亮,謝富原

（1．中航復合材料有限責任公司復合材料檢測技術中心，北京101300；2．空裝駐北京地區第六軍事代表室，北京101300；3．合肥工業大學工業與裝備技術研究院，合肥230009）

曲率是復合材料構件中最典型的一種幾何特征，在飛行器復合材料的梁、肋、筋條、彎角接頭等結構中最為常見。含曲率的復合材料構件在熱壓罐成型工藝過程中比復合材料平板結構復雜得多，容易出現各種缺陷，嚴重影響復合材料的力學性能和使用壽命，甚至還會導致復合材料構件的報廢，造成重大經濟損失。因此，含曲率復合材料構件的成型過程、易產生的缺陷類型及產生機制引起了國內外學者的重視。Hubert等[1-3]基于有效應力理論以及達西定律建立了一個二維流動-壓縮模型，指出剪切模量對弧形層板拐角處密實行為的影響較為關鍵，并通過實驗分析了缺陷與工藝條件之間的關系。Li等[4]采用Galerkin有限元的方法模擬固化后構件纖維體積分數的分布狀況以及構件的變形，證實剪切模量高會使拐角區域密實程度顯著降低。Naji等[5-6]研究固化制度對L形構件厚度和纖維分布不均的影響。鄧火英等[7]考察了L形層板真空袋成型過程主要工藝條件對構件不同位置處纖維密實和缺陷的影響規律。Fernlund等[8]利用鋁制陽模成型C型肋板，研究5種不同形式的陰模對制件厚度分布的影響。Hassan等[9]研究L形層板真空袋成型工藝參數對孔隙含量的影響。本文作者[10-12]前期系統研究在膠接共固化和共固化整體成型工藝中，模具配合、填充料、曲率半徑、吸膠工藝等因素對L形筋條、T形加筋板纖維密實和制造缺陷的影響。

當前研究多偏重于成型過程中工藝條件及材料物性參數對含曲率構件密實行為影響的數值分析與實驗研究，而關于曲率半徑與制造缺陷的關聯規律方面的相關研究較少，且復合材料構件拐角區成型過程受力分析、壓力測試、成型質量三方面的關系也缺少系統研究。本研究在對大量復合材料構件無損檢測數據統計分析的基礎上，揭示曲率變化與制造缺陷的關聯規律，并結合拐角區的應力分析及缺陷形貌分析制造缺陷的形成機制，測試剛性陽模/傳壓型橡膠軟模陰模成型L形層板拐角區的壓力分布，以期對含曲率復合材料構件熱壓罐成型工藝中缺陷的控制以及復合材料結構設計提供參考。

1 統計樣本及實驗測試方法

1.1 統計樣本與邊界條件

飛行器復合材料構件種類繁多，結構形式復雜，本研究統計了一定時期內生產的含曲率復合材料構件，如梁、肋、筋條、彎接頭等共計15類。統計的缺陷類型及其分布情況等原始數據樣本如表1所示。

統計的復合材料制件均采用熱壓罐一次固化成型，所用材料體系均為碳纖維/QY8911-Ⅰ；所用模具均為橡膠軟模與鋼質陽模配合，軟模輔助加壓。

表1 復合材料構件制造缺陷統計數據樣本Table1 Statistical data sample of manufacturing defects in composite components

1.2 軟模傳壓測試方法

選用日本富士公司的壓力測量膠片測定固體表面壓力分布。這種膠片由A模和C模兩部分組成，PET聚酯膠片作為載體，一個涂有一層微囊生色物質，另一個涂有顯色物質，待膠片插入需測量壓力處，施壓后微囊破裂，生色物質與顯色物質相互反應，膠片上出現紅色區，且色彩的深淺隨著壓力水平的改變而改變。通過Photoshop?軟件對受壓膠片的灰度值進行統計，并通過標定方程將其轉化為壓力值。測試原理如圖1所示。

圖1 軟模傳壓測試原理圖Fig.1 Principle chart of pressure measurement for flexible mould

灰度和壓力之間具有良好的線性關系，但是溫度和接觸表面對壓力與灰度間的定量關系有顯著影響，應當根據測試時的具體條件對壓力進行標定。軟模的壓力測試是在100℃硅橡膠和金屬模具之間進行測試的，經測試后灰度與壓力的標定方程為：

式中：P為測量點壓力值；G為測量點的灰度值。

1.3 厚度測定

以碳纖維/QY8911干法預浸料為材料體系，在陽模成型下制備不同曲率半徑、平板長度、鋪層層數、鋪層方式的L形層板（圖2（a）），并對其拐角及其臨近區域的厚度進行測定，厚度分布（截面圖）的測量位置如圖 2（b）所示，測量 P1～P11，11 個位置的厚度。對P4～P8的拐角區進行顯微形貌觀察，P1～P4和P11～P8的區域為平板區（其長度定義為平板長度）。

2 結果與討論

2.1 陽模成型過程拐角區應力分析

含曲率復合材料構件陽模成型時，在拐角區域層板內外表面面積不同，內表面面積小于受壓面面積，傳到拐角區模具表面的壓力大于外壓面的壓力。拐角區域的單元體在厚度方向的外壓作用下，纖維層有沿厚度方向密實的趨勢，使得層板厚度減小，同時由于模具的曲面結構以及纖維本身的剛性，單元體有向外伸展的趨勢，又由于邊界的束縛，使單元體在平行層板方向受壓縮力，如圖3所示，層板同時受到垂直層板的外力、平行層板方向的壓縮應力以及切應力。

圖2 纖維取向及厚度測量位置示意圖（a）纖維方向；（b）厚度測量Fig.2 Schematic diagram of thickness measurement and fiber orientation（a）fiber orientation；（b）thickness measurement

圖3 陽模成型拐角區的應力狀態示意圖Fig.3 Stress state in corner section of components molded by convex mould

密實陽模成型含曲率復合材料構件的拐角區域必須克服平行層板方向的壓縮應力和剪切應力，所以平行層板方向的壓縮應力對構件的密實過程起阻礙作用，而在平板區域平行層板方向的壓縮力以及剪切應力幾乎可以忽略，造成了含曲率構件的拐角區域與平板區域密實過程的不同，拐角區域與平板區域能否同步密實主要取決于預浸料在成型過程剪切變形的能力和外壓的施加情況。如果在密實過程中復合材料剪切變形能力很強、外壓施加均勻，則壓縮和剪切所造成的阻力就越小，拐角就越容易密實。

2.2 橡膠軟模對拐角區壓力分布的影響

熱壓罐固化成型的主要工藝參數是溫度、時間和壓力。其中加壓的作用可使纖維密實，控制含膠量，防止產生孔隙、分層以及冷卻變形等。過大（或過小）的壓力會使樹脂流出過多（或過?。?，影響制件厚度，導致貧膠（或富膠）。熱壓罐工藝中預浸料鋪層拐角區不易受壓，壓力大小及分布與構件曲率半徑、模具類型、剛度及配合方案有很大關系[13-15]，是影響復合材料制件成型質量的關鍵影響因素。對于含曲率構件在熱壓罐成型時，傳壓型橡膠軟模相比于剛性硬膜有更高的傳壓效率[13]。本研究采用自行建立的固體壓力測試方法研究模具配合方案（剛性陽模/傳壓型橡膠軟模陰模），橡膠軟模對曲率突變區壓力分布的影響，拐角曲率半徑R=2mm，根據最終膠片的灰度可反映在氣壓0.4MPa、溫度100℃且未施加真空時的壓力分布情況，實驗結果如圖4所示。

圖4 剛性陽模/傳壓軟模界面處壓力分布Fig.4 Pressure distribution in the interface between flexible mould and rigid convex mould

由圖4可見，在剛性陽模和傳壓型橡膠軟模的界面處存在著明顯的壓力分布不均，拐角區壓力明顯大于拐角兩側平板區的壓力，測試結果與陽模成型過程拐角區應力分析結果較為一致。

2.3 曲率半徑對拐角區缺陷比例的影響

以大量復合材料構件無損檢測數據為分析基礎，不同曲率半徑對制造缺陷的影響如圖5所示，圖5中缺陷比例為缺陷個數與相應含曲率制件件數的比值，圖5中數據取自于表1。

由圖5可見，復合材料構件拐角區的曲率半徑與制造缺陷有很大的關聯性，在統計的制件曲率半徑范圍內，拐角區域的曲率半徑越小，越易出現缺陷，缺陷的可控性越差，R=2mm 時缺陷比例最大（9% 左右）；當 R=4mm、5mm、6mm 時缺陷比例迅速降低且三者相當（2%左右）。復合材料構件的最小圓角半徑一般按下面的經驗公式計算[16]：Rmin=1+0.1n（n 為拐角處的層數），即曲率半徑與制件厚度有一定的關系，這樣也是為了降低缺陷的產生比例。

圖5 曲率半徑對制造缺陷的影響Fig.5 Effect of curvature radius on manufacturing defects

2.4 曲率半徑對分層的影響

圖6 拐角區域制造缺陷的對比Fig.6 Contrast graph for defect type in corner section

拐角區域制造缺陷的對比如圖6所示，D1～D6分別代表分層、孔隙、氣孔、富脂、貧膠和疏松6種缺陷類型，缺陷比例為缺陷個數與曲率變化引起缺陷總個數的比值，圖6中數取來自于表1。由圖6可見，在熱壓罐陽模成型時，受構件拐角區域的曲率半徑影響最大的是分層，其次是疏松和孔隙，而富脂、貧膠受曲率半徑影響程度較小，尤其是曲率半徑較小時，R=2時產生的分層約占分層缺陷的一半。在陽模成型的L形層板，對于厚度相同（鋪層層數 16 層），曲率半徑分別為 2mm、4mm、6mm時，拐角區顯微形貌如圖7所示。

由圖7可見，對拐角區曲率半徑不同的復合材料構件，分層程度有所不同，曲率半徑 R=2mm 時拐角區的分層程度最大，纖維密實程度很差；R=4mm 時分層程度減?。籖=6mm 時拐角區很難發現分層，纖維密實程度很好。分層在制造過程中的影響因素很多，在材料體系、成型工藝、鋪層方式、厚度等因素相同的條件下，拐角的曲率半徑不同導致分層的程度不同，其原因可從構件成型過程中拐角的應力分布狀態來分析。由圖3拐角處的受力分析可知，含曲率構件與平板構件的不同之處在于平行層板方向的壓縮應力和剪切應力不可忽略，纖維層剪切變形的能力和外壓的均勻性對拐角區的密實程度有很大影響。在垂直厚度方向外壓、壓縮應力作用下，密實過程以及邊界的束縛纖維軸向被壓縮必然導致纖維的長度縮短以適應層板尺寸的變化[4]，除了可能導致纖維屈曲變形外，還可能產生分層。隨著曲率半徑的增大，拐角區變化比較緩和，壓縮應力縮小且軟模傳遞的壓力更趨于均勻[17]，所以拐角區的分層程度減小、纖維密實程度提高。

2.5 曲率半徑對厚度分布的影響

由上述討論可知，復合材料構件曲率半徑對纖維密實程度有很大影響，密實程度的直觀反映就是構件厚度變化。曲率半徑分別為 2mm、4mm、6mm，不同鋪層方式、厚度、平板長度的復合材料構件的厚度分布情況如圖8所示。

圖7 曲率半徑對分層的影響Fig.7 Effect of curvature radius on delamination（a）R=2mm；（b）R=4mm；（c）R=6mm

由圖8可見，熱壓罐陽模成型含曲率構件的厚度均呈現拐角部分厚，兩邊平板部分薄的趨勢，厚度有一定的不均勻性，這種厚度分布規律并未因鋪層方式、厚度、平板長度的不同而發生變化，所以拐角區的曲率半徑的結構特征與復合材料的厚度分布（密實程度）有一定的關聯性，厚度分布規律與數值模擬分析的一致性較好[4]。由圖3的受力分析可知，對于含曲率構件的成型，不僅存在樹脂沿厚度方向的滲流，在剪切應力作用下樹脂還發生剪切流動，滲流機制與剪切流機制之間的耦合作用是含曲率構件區別于平板構件的重要成型特征[1]。纖維在其軸向是有一定剛度即抵抗剪切變形的能力，這種能力阻礙著拐角區域密實過程的進行，所以拐角區域密實的阻力較平板區大，較難密實，厚度較大。90o鋪層中的厚度不均性大于準各向同性，且隨著曲率半徑增大，厚度均勻性增加，這主要是由于拐角區域在外力作用下，90o鋪層纖維只有發生縱向剪切變形才能得到密實，而縱向剪切變形的阻力來源于纖維本身的剛性，阻力較大，所以90o鋪層的拐角相比準各向同性而言較難密實，隨著曲率半徑增大，剪切變形能力增強，厚度趨于均勻。另外，雖然在層板的邊緣有擋條以阻擋樹脂的流動，但是畢竟層板與擋條之間存在間隙，而且在層板的內部和外部之間存在樹脂的壓力梯度，所以樹脂會向層板的邊緣流動，而拐角區域密實的阻力又比較大，導致在靠近拐角與平板的過渡區域樹脂含量最低，厚度最小。

圖8 曲率半徑對厚度分布的影響Fig.8 Effect of curvature radius on thickness distribution （ a） 90olay-up； （ b） quasi-isotropic lay-up； （ c） various thickness，R＝4mm；（d）various length of flat laminate，R＝4mm

2.6 曲率半徑對其他缺陷的影響

由表1可見，受曲率半徑影響的缺陷還有孔隙、氣孔，其分布受曲率半徑的影響不明顯；此外，在拐角區很少出現富脂。由于碳纖維/QY8911預浸料在熱壓罐成型條件下，樹脂中不含溶劑，成型溫度比較高（約180℃），水分會汽化形成孔隙，所以孔隙的主要來源是水汽和夾雜空氣。成型時的外壓較大，拐角區壓力明顯大于拐角兩側平板區的壓力，所以在拐角區的樹脂壓力也大于兩側平板區的樹脂壓力，因此樹脂在壓力梯度下會由拐角向兩側流動的趨勢，水汽和夾雜空氣形成的氣泡也會隨著樹脂向兩側移動，隨著樹脂凝膠程度的增大在兩側形成孔隙（圖9）。

2.7 小曲率半徑構件制造缺陷的工藝控制措施

從上述研究結果可見，小曲率半徑構件更易出現制造缺陷，因此，在復合材料構件結構設計時避免出現較小曲率半徑的設計方案，如果復合材料構件不可避免出現小的曲率半徑，可在制造過程中采取如下工藝控制措施以避免出現制造缺陷：（1）采用傳壓型橡膠軟膜與鋼模配合；（2）采用抽真空預壓實措施，分多次鋪層和抽真空進行預壓實，在加壓前將鋪層中的空氣盡可能排出去。

圖9 拐角區域典型制造缺陷顯微圖Fig.9 Micrograph of manufacturing defects in corner section

3 結論

（1）在剛性陽模和傳壓型軟模陰模的界面處存在著明顯的壓力分布不均，拐角區壓力明顯大于拐角兩側平板區的壓力。

（2）在統計的范圍內，拐角區域的曲率半徑越小，越易出現缺陷，缺陷的可控性越差，R=2mm時缺陷比例最大（9%左右）；在拐角區易出現分層、疏松、孔隙和厚度分布不均等缺陷。

（3）復合材料構件拐角區的曲率半徑不同，分層程度也有所不同，隨著曲率半徑的增大，拐角區的分層程度減小，纖維密實程度提高。

（4）在滲流機制與剪切流機制之間的耦合作用下，含曲率構件的厚度有一定的不均勻性，呈現拐角部分厚，兩邊平板部分薄的趨勢，這種分布規律并未因鋪層方式、厚度、平板長度的不同而發生變化。