復合材料夾芯板蜂窩芯格流膠缺陷行為研究

盧政斌 張麗薇 徐霆耀 楊賽格

摘 要 蜂窩芯格內部流膠是一種隨機性較強且常規無損檢測方法難以準確判斷的故障類型，通常歸為無損異常缺陷，但破壞后的故障狀態又明顯異于常規的結構性缺陷，因此，本文通過熱壓罐共固化成型工藝制備鋁蜂窩夾芯玻璃纖維環氧預浸料復合材料夾芯板，研究了蜂窩芯格內部流膠缺陷的形成機理及其在各種檢測狀態的故障表現。研究結果可有效指導蜂窩結構復合材料夾芯板流膠缺陷的處置和過程控制，具有重要科研與實踐價值。

關鍵詞 復合材料；熱壓罐；蜂窩；流膠；缺陷

ABSTRACT The resin flow inside the honeycomb core is a kind of fault type with strong randomness and difficult to be accurately judged by conventional non-destructive testing methods. It is usually classified as non-destructive abnormal defects， but the fault state after destruction is obviously abnormal. Therefore， this paper uses the autoclave co-curing process to prepare the aluminum honeycomb sandwich glass fiber epoxy prepreg composite sandwich panel. Study the formation mechanism of resin flow defect in honeycomb core and its fault performance in various detection states. The research results can effectively guide the disposal and process control of resin flow defects in honeycomb sandwich panels， and have important scientific research and practical value.

KEYWORDS composite; autoclave; core; resin-flow; failure

1 引言

近年來，隨著復合材料關鍵成型技術的突破，復合材料零件的過程質量控制也已成為業內廣大學者的關注重點。目前，對于復合材料零件的制造過程控制主要集中在熱場均勻性控制[1，2]、固化變形[3]、界面質量[4]以及機械加工損傷[5]等方面。

在復合材料零件實際的制造過程中，對于蜂窩夾芯壁板，蜂窩芯格內部流膠一種隨機性較強且常規無損檢測方法難以準確判斷的故障類型，一般僅能在無損結果異常判定后，通過不可逆的破壞性方式確認故障形式，且因為隨機性較強、故障樣本少，對其成型機理的分析和預防十分困難。本文所述的蜂窩芯格流膠不包含板-芯膠接區膠瘤[6]及面板樹脂對芯材的過渡浸潤，面板樹脂對芯材的過度浸潤故障通常不會導致明顯的無損檢測異常，且在確定材料牌號及工藝參數后通常不會出現；本文所述芯格流膠故障是指一定區域內蜂窩芯格內部被疏松的孔隙樹脂大量填充的故障狀態，多發生于蜂窩邊緣，因為泡沫結構或蜂窩壁屈曲對超聲檢測信號的強衰減，通常會伴隨強烈的無損檢測異常，對于該類故障目前沒有一個準確的定義以及定性定量的影響分析，通常用分層、外來物等嚴重故障類比進行處置，容易導致不必要的產品返修或產品報廢。

常見的蜂窩結構變形主要包含蜂窩屈曲、芯格撕裂、節點分離、表面凹陷等，一般航空制造規范中會對上述蜂窩結構缺陷的接受限、返工限及拒收限作出明確的界限定義，以保證復合材料夾芯板制造過程的有效質控，但是對于蜂窩邊緣芯格堆疊、芯格壁未破損倒伏等可恢復性變形缺陷未做明確的界限區分及權限控制，以某總體單位的過程規范為例，對于蜂窩邊緣芯格堆疊僅要求使用鑷子小心的恢復原有芯格結構特征及邊界外形即可，在實際生產過程中，對于該類故障也以修復后的狀態檢查為最終結論。

以某型飛機尾翼壁板為研究對象，該壁板零件為玻纖環氧預浸料/鋁蜂窩夾層結構，該型飛機在設計之初為考慮減重，取消了傳統構型中蜂窩上下面板的整鋪層膠膜，僅保留下面板部分條帶狀膠膜用于蜂窩穩定，固化過程中主要依靠預浸料中的自浸漬樹脂完成對蜂窩芯材的黏附浸潤。在實際生產中，統計了362項該構型零件的生產數據，其中有蜂窩芯格流膠故障6項，故障發生率在1.6%左右，流膠故障面積在1平方英寸～4平方英寸不等，該區域在使用超聲C掃描進行無損檢測探查時，表現出強烈的聲波衰減，將該故障提交工程部門評估，解答反饋中約40%為去層修補，約60%為產品報廢，處置方案與同尺寸的分層缺陷及外來物缺陷類似。

蜂窩材料面外壓縮強度很高，而側向強度較低[7]，尤其是蜂窩導角區域邊緣在實際運輸、加工、存貯過程中，蜂窩零件倒角邊緣產生非結構損傷性變形是較為常見的。本文針對該類故障的形成機制進行了初步的分析，探討了蜂窩芯格結構變形與蜂窩芯格流膠缺陷的關聯影響及作用形式，同時對蜂窩芯格流膠缺陷對膠接質量的影響進行了關聯分析，這對于蜂窩夾芯零件的成型質量控制及故障零件處置方法具有實際指導意義及參考價值。

2 試驗方法

2.1 原材料

試驗材料如表1所示，包括：玻璃纖維預浸料、鋁蜂窩。

2.2 試驗過程

對鋁蜂窩邊緣進行芯格壁卷曲、芯格結構倒伏堆疊等常見蜂窩邊緣損傷故障模擬，故障狀態如圖1所示。

（1）故障a：深度9.5mm，長度54.5mm，故障狀態為芯格卷曲及倒伏堆疊變形；

（2）故障b：深度5.5mm，長度15.5mm，故障狀態為芯格堆疊變形。

使用鑷子對模擬的蜂窩芯格故障進行狀態修復并進行位置標記，修復后蜂窩按工藝規范進行蜂窩最終狀態及外觀質量檢查，最終狀態符合制造規范要求。

使用手工鋪層方法鋪疊成型，鋪層結構為（45°/0°/0°/45°/45°/0°）S，采用真空袋熱壓罐法完成制件最終固化，固化工藝選擇127℃保溫2小時，全程加壓300Kpa，真空袋內通大氣。

3 結果與討論

對固化后的零件進行外觀檢查、敲擊檢查、背光檢查及C掃檢測，C掃描檢測設備為：USL LND-1型，并對故障區域進行破壞試驗，對典型故障區域的破壞試樣進行光學顯微鏡界面檢查。

固化后零件外觀狀態平整均一，夾芯板蜂窩倒角區域圓滑過渡，零件表面無凹坑、印痕、蜂窩邊緣塌陷等外觀質量問題，零件外觀狀態如圖2所示。

對故障區域補充背光檢查及敲擊檢測，背光檢測結果如圖3所示，在圖中可以明顯看到故障區域的蜂窩芯格內存在樹脂色背光陰影。圖3（a）為正常區域背光檢查狀態，圖3（b）為故障區域背光檢查狀態，圖3（b）中蜂窩芯格結構完整，無側向芯格壓縮特征，芯格內膠液填充狀態明顯、清晰。敲擊檢測過程中，故障區域的敲擊聲音沉悶，非故障區敲擊聲音清亮。

對蜂窩邊緣區域的層板區厚度進行了厚度測量，測量點位選取如圖4所示，層板區以蜂窩邊緣為起點，向外每間隔5mm線性設點，圖4（a）為正常區域臨近層板，圖4（b）為故障區域臨近層板。

測量厚度值如圖5所示，其中圖5（a）為故障區層板厚度與正常區層板厚度對比，在圖中可明顯看出故障區層板厚度整體小于正常區層板厚度，且二者的層板厚度沿層板邊緣的切向變化趨勢相對一致，差值相對恒定，圖5（b）為分別選取故障區與正常區的一條厚度代表曲線進行對比，從圖中厚度數值的變化可以看出，故障區域邊緣的層板厚度相較正常區域層板厚度最大處薄了0.149mm左右。通過以上數據對比，相較正常芯格邊緣層板，故障區域的臨近層板內樹脂存在大量流動性遷移損失。

圖6為試驗件C掃描檢測圖像，其中預制b缺陷C掃描檢測正常，無異常反應，預制a缺陷的蜂窩缺陷模擬區域出現了明顯的C掃描超聲衰減區，且缺陷范圍與預制缺陷尺寸相當，C掃檢測結果如圖6所示，C掃描故障描述聲波衰減為? 22.4dB。對比預制的b缺陷及未損傷區域，可知恢復外形后的蜂窩芯格壓縮變形缺陷不會導致蜂窩流膠故障，且與變形缺陷尺寸無關聯影響；對比預制的a缺陷及b缺陷區域，可知蜂窩芯格壁屈曲變形與蜂窩芯格流膠之間具有關聯性，且故障狀態基本無法因后續的結構外形恢復工作而得到改善，另外，當發生芯格屈曲倒伏變形時，雖然結構外形仍可恢復，但同芯格壁堆疊變形不同的是，此時鋁合金蜂窩的結構剛度、疲勞強度受到了很大的衰減。

對所有的C掃描缺陷區進行了破壞試驗，主要考察了故障區域的截面狀態差異及膠接界面狀態差異，夾芯板截面狀態差異如圖7所示，圖7（a） 為正常區域截面狀態，圖7（b） 為故障區域截面狀態。對比圖7（a）與圖7（b）故障區域與正常區域的夾芯板截面狀態，發現故障區域的芯格內有大量樹脂填充，樹脂富含大量孔隙及空腔，結合圖5中的層板厚度變化差異，基本可判斷出故障區域的填充樹脂來源于臨近的層板區，固化過程中，層板區域受到的熱壓罐固化壓力由纖維及樹脂共同承擔，樹脂靜壓力較大，而夾芯板區域，僅芯格壁接觸區域承載了熱壓罐的固化壓力，芯格內部區域的面板樹脂僅承受芯格內的內部氣壓，該區域的樹脂靜壓相對較小，正常芯格完好的情況下，芯格內部具有良好的氣密結構，芯格之間、芯格與層板過渡之間沒有有效的氣路及樹脂流動通路，彼此形成一個個獨立的結構單元，但當這種密閉結構因芯格壁發生變形、損傷或疲勞時，氣密結構易被破壞，層板區樹脂在不同區域樹脂靜壓差的驅動下，向蜂窩區域發生面內樹脂流動，并沿芯格壁填充蜂窩芯格腔包，因芯格內樹脂靜壓低，填充樹脂內部揮發分及交聯反應產生的小分子物質成核擴展形成孔隙，同時芯格內原有氣體受熱膨脹與填充樹脂裹挾在一起，形成了疏松的孔隙樹脂狀態。

對破壞試驗的典型試樣進行金相測試，膠接界面狀態差異如圖8所示，其中圖8（a）為故障區域芯格壁與預浸料層板接觸的典型狀態，芯格壁與層板接觸緊密，膠接區域的層間無分層、孔隙等缺陷特征，但是在個別試樣中芯格壁頂端存在有明顯卷曲變形的結構特征，圖8（b）為正常區域芯格壁與預浸料層板接觸的狀態，芯格壁基本保持原有的垂直結構。

4 結語

（1）芯格壁頂端卷曲或芯格疲勞性堆疊損傷是夾芯板邊緣蜂窩芯格內部流膠故障產生的根本原因，芯格內樹脂來源于臨近層板區樹脂的面內流動，非疲勞性堆疊損傷的可恢復性芯格變形不會導致蜂窩芯格內部流膠，在實際生產過程中，應制定具備不同程度蜂窩邊緣變形檢測標準的質控規范，及嚴格的蜂窩周轉防護措施及設備，防止嚴重的蜂窩損傷及異常故障的出現。

（2）蜂窩流膠故障雖然會導致C掃面檢測異常，但是蜂窩流膠對夾芯板膠接質量并無明顯影響，膠接區域未見缺陷特征出現，層間粘接強度待進一步實驗確定。

參考文獻

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