碳纖維復(fù)合材料“U”形結(jié)構(gòu)加筋壁板成型的試驗(yàn)研究

摘 要：本文介紹了一種復(fù)合材料“U”形加筋壁板熱壓罐共固化制造方法，筋條兩側(cè)的模具采用3種方案，即硬模/硬模、袋壓/硬模以及袋壓/袋壓。對(duì)3種工裝方案成型的制件外觀質(zhì)量與內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行研究，并分析缺陷。結(jié)果表明，采用硬模/硬模方案，表面質(zhì)量?jī)?yōu)異，但是受模具配合精度差影響，容易出現(xiàn)高孔隙率內(nèi)部缺陷；采用袋壓/硬模方案，筋條兩側(cè)蒙皮區(qū)厚度相差較大；采用袋壓/袋壓方案，經(jīng)濟(jì)性好，但是雙側(cè)拐角半徑R不密實(shí)，不能保證腹板垂直度。研究結(jié)果為“U”形加筋壁板成型工藝在航空器承載結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；“U”形加筋壁板；熱壓罐工藝；共固化

中圖分類號(hào)：TB 332" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

先進(jìn)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)、耐腐蝕以及抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在國(guó)外新一代民用飛機(jī)中，先進(jìn)復(fù)合材料的用量已達(dá)到50%以上，在軍用飛機(jī)中先進(jìn)復(fù)合材料的用量達(dá)到25%～40%，甚至出現(xiàn)了全復(fù)合材料飛機(jī)。2005年以來(lái)，各種剖面形狀的復(fù)合材料加筋壁板結(jié)構(gòu)件大量應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī)身、翼面等部位。大量研究者對(duì)加筋壁板的制造進(jìn)行研究[1-6]，但是對(duì)碳纖維復(fù)合材料整體構(gòu)件，尤其是“U”形結(jié)構(gòu)加筋壁板的成型工藝研究較少。本文對(duì)AC531/CCF800碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料“U”形加筋壁板的整體成型工藝進(jìn)行試驗(yàn)，即壁板蒙皮與“U”形筋鋪疊組裝后共固化。本文采用3種工裝方案分別制備了試驗(yàn)件，并對(duì)3種工裝方案成型的制件外觀質(zhì)量與內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行研究。研究結(jié)果說(shuō)明“U”形加筋壁板成型工藝為我國(guó)航空器承載結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 原材料與“U”形加筋壁板結(jié)構(gòu)

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用的主要原材料為AC531/CCF800H國(guó)產(chǎn)樹脂基碳纖維預(yù)浸料，單層厚度為0.14 mm。

1.2 “U”形加筋壁板結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料“U”形加筋板長(zhǎng)750 mm，寬520 mm，加筋壁板腹板高度27 mm，腹板間距150 mm，拐角半徑R=3 mm。“U”形加筋壁板是由3個(gè)“U”形筋、2個(gè)“L”形筋、底板、底板與筋條結(jié)合處的三角填充區(qū)組合成的， “U”形加筋壁板結(jié)構(gòu)如圖1所示。壁板分為腹板和蒙皮2個(gè)部分，在腹板與蒙皮的過渡區(qū)域形成具有一定曲率半徑的拐角區(qū)。各結(jié)構(gòu)的預(yù)浸料鋪層方式如下：“U”形筋條鋪層方式[-45/0/0/45/0/45/90/-45/0]共9層；底板鋪層方式[0/-45/90/45/0/45/0/0/-45]共9層；組合成的腹板與蒙皮均為18層，理論厚度2.52 mm。

2 制造方案

2.1 “U”形加筋壁板毛坯整體預(yù)成型

“U”形筋在分塊模具中鋪疊，然后按順序組裝，利用螺紋軸將預(yù)浸料毛坯夾緊，將一定寬度的單向預(yù)浸料填入三角填充區(qū)，填充區(qū)理論填充料寬度如公式（1）所示，再將工裝反轉(zhuǎn)，與底板進(jìn)行組裝。

W=S/h " " " "（1）

式中：W為填充區(qū)所填預(yù)浸料寬度；S為填充區(qū)截面積；h為單層預(yù)浸料厚度。

“U”形加筋壁板鋪疊定位工裝如圖2所示。

2.2 “U”形加筋壁板的成型方案

拆除螺紋軸、吊裝環(huán)和反轉(zhuǎn)軸后，采用3種模具方案，對(duì)壁板預(yù)成型體進(jìn)行封裝，封裝示意如圖3所示，為防止筋條發(fā)生傾倒，在真空袋外部采用“L”形角材與“U”形筋腹板固定輔助成型，如圖3（c）、圖3（d）所示。

采用熱壓罐固化成型，固化流程如下。抽真空至真空度≥0.092 MPa→加氣壓至0.6 MPa→升溫至（130±5） ℃，保溫1 h

→升溫至（185±5） ℃，保溫3 h→降溫至60 ℃，出罐。升、降溫速率為1.5 ℃/min，以最慢熱電偶溫度為準(zhǔn)計(jì)時(shí)。固化結(jié)束后，對(duì)試件的成型質(zhì)量進(jìn)行分析。用R規(guī)測(cè)量R；用CL400測(cè)厚儀測(cè)量筋條腹板、蒙皮等部位的厚度；采用超聲反射法進(jìn)行軸向掃描（A-Scan）檢測(cè)，設(shè)備采用中航復(fù)合材材料有限責(zé)任公司MUT-1數(shù)字式復(fù)合材料超聲檢測(cè)儀、700M超聲檢測(cè)儀，探頭采用頻率為5 MHz的FJ高分辨率寬帶窄脈沖超聲換能器。耦合條件為水膜耦合。根據(jù)GB/T 1038.1—2022《塑料制品薄膜和薄片氣體透過性試驗(yàn)方法》進(jìn)行分析。切割試樣并對(duì)試樣橫截面進(jìn)行打磨、拋光，在光學(xué)數(shù)碼金相顯微鏡下觀察試樣內(nèi)部缺陷狀況，并采用圖像處理軟件得到孔隙率。

3 表面質(zhì)量

3.1 外觀質(zhì)量與拐角半徑

“U”形筋條的拐角區(qū)是曲率突變的部位，預(yù)成型的毛坯在拐角區(qū)纖維堆積松散，存在比較大的空隙，壓力不易施加至拐角區(qū)，容易造成纖維不密實(shí)、有孔隙和富樹脂等缺陷。其表面形貌如圖4所示，無(wú)論有沒有硬模支撐腹板，蒙皮表面都沒有纖維褶皺與樹脂堆積，如圖 4（a）、圖 4（b）所示；有硬模支撐的一側(cè)，R角、腹板和蒙皮表面更平整，表面質(zhì)量?jī)?yōu)異；部分袋壓/袋壓成型的制件存在腹板傾斜，如圖4（c）所示。

不同模具方案成型的“U”形筋的R，見表1。硬模一側(cè)R角半徑與理論值接近；與理論值相比，袋壓一側(cè)R更大。在腹板傾斜制件方面，gt;90°的一側(cè)厚度值最大；與理論值相比，lt;90°的一側(cè)R受到擠壓，測(cè)量值更小。

當(dāng)R成型時(shí)鋼模具比玻璃布剛度更強(qiáng)，沒有模具支撐，在熱壓罐中流動(dòng)的高氣壓使升溫后預(yù)浸料毛坯軟化，腹板容易發(fā)生傾斜，傾斜的腹板拉扯或擠壓了R處的纖維，使一側(cè)R變大，另一側(cè)變小，導(dǎo)致袋壓 / 袋壓方案的制件R浮動(dòng)最大。

3.2 腹板與蒙皮厚度

對(duì)3種方案的制件腹板與蒙皮區(qū)域進(jìn)行厚度測(cè)量，取平均值（厚度分布如圖5所示）。硬模/硬模方案的制件腹板與蒙皮厚度差異最大，腹板厚度為3種方案中最大，蒙皮厚度為3種方案中最小；袋壓/袋壓方案的制件厚度差異最小。

分塊模具高度42 mm，模具自重產(chǎn)生的壓力約0.003 3 MPa，因此蒙皮所受壓力主要來(lái)自熱壓罐成型中施加的氣壓。由于硬模剛度較大，變形能力、與筋條的貼合性均較差，硬模間裝配精度的影響不利于壓力傳遞，因此腹板面的大部分壓力低于施加的氣壓，腹板區(qū)平均厚度略大于蒙皮區(qū)厚度。袋壓成型，自重幾乎為0，剛度也小很多，變形能力較好，有利于壓力傳遞，因此腹板面的壓力與蒙皮的壓力差異較小，導(dǎo)致腹板區(qū)與蒙皮區(qū)平均厚度差異較小。

4 內(nèi)部質(zhì)量

在熱壓罐成型和纏繞成型的過程中經(jīng)常采用單面模具。沒有剛性模具限制的表面容易浮起，因此尺寸控制力差，導(dǎo)致表面質(zhì)量較差。盡管使用剛性模具配合是一種好的設(shè)計(jì)方法，但是事實(shí)上并不總是可行的。對(duì)3種方案制件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，方案一缺陷率最高，缺陷主要出現(xiàn)在腹板區(qū)域，表現(xiàn)為孔隙缺陷，如圖6所示。采用這種工裝方案成型，需要工裝的配合精度非常高，由于鋼模具存在自身加工公差問題，因此模具之間會(huì)有一定的間隙，這些配合不到位的間隙使壓力傳導(dǎo)不到位，層板內(nèi)部空氣、水份以及揮發(fā)酚等未及時(shí)排出，裹在樹脂中，在層間形成大氣孔，成為孔隙缺陷。方案二與方案三解決了筋條的加壓?jiǎn)栴}，無(wú)損檢測(cè)均沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷。

填充料和模具方案顯著影響樹脂的面內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)填充區(qū)無(wú)模具時(shí)，樹脂在壓力差作用下更易匯集至填充區(qū)，形成富脂缺陷（如圖7（a）所示），因此拐角厚度增大。放入模具后，拐角區(qū)的壓力增大，面內(nèi)方向的壓力差降低，面內(nèi)流動(dòng)流向拐角區(qū)的樹脂減少，富脂現(xiàn)象逐漸消除（如圖7（b）所示）。

5 結(jié)論

本文介紹了“U”形加筋壁板的3種工裝方案，以及采用3種工裝方案出現(xiàn)的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量問題。在實(shí)際工裝過程中，可以根據(jù)需求選擇不同的工裝方案。3種工裝方案的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)總結(jié)如下。1）硬模/硬模方案，表面質(zhì)量?jī)?yōu)異，容易出現(xiàn)高孔隙率內(nèi)部缺陷。2）袋壓/硬模方案，筋條兩側(cè)蒙皮區(qū)厚度相差較大。3）袋壓/袋壓方案，經(jīng)濟(jì)性好，但是雙側(cè)R富樹脂、厚度偏大，不能保證腹板垂直度。

參考文獻(xiàn)

[1]BAKER A A，DUTTON S E，KELLY D W.Composite materials

for aircraft structures[M].2nd ed.Reston：American institute of

aeronautics and astronautics，2004.

[2]劉明澤，閆恩瑋，黃雪萌，等.某型機(jī)外翼典型盒段樣件復(fù)材加筋壁板制造技術(shù)研究[J].橡塑技術(shù)與裝備，2020，46（2）：36-40.

[3]何可馨，蘇震宇，周翔，等.連續(xù)芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料雙曲率波紋芯材成型工藝研究[J].科技與創(chuàng)新，2021（11）：110-111.

[4]WANG X M，XIE F Y. Influence of core fillers on resin flow and fiber compaction of cocured skin-to-stiffener structures[J].Polymer

composites，2010，31（8） ： 1360-1368.

[5]WANG X M，XIE F Y.Experimental investiga-tion of the compaction

and tensile strength of co-cured skin-to-stiffener structures[J].Applied

composite materials，2011（18）： 371-383.

[6]HUANG C K.Study on co-cured composite panels with blade-shaped stiffeners[J].Composites part A，2003，34（5）：403-410.