復合材料夾芯銅網結構真空導入工藝研究

Research on vacuum infusion process of composite sandwich copper mesh structure

AN Chao*，SONG Pengfei，LIU Yenan，WEI Long，HE Yi （Hebei Province Multi-Base Composite Materials Industry Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hengshui O53100）

Abstract：Thisstudy focusedontheproblems ofuneven infiltrationandinterfacedelaminationinthe VARI（Vacuum AssistedResin Infusion）processof thecompositematerial sandwichcoppermesh structure.Itsystematicallyinvestigatedthe influenceofthecopper mesh structureandtheinjection positionontheresinflowbehaviorandthequalityof thefinal products.Bydesigning differentcopper mesh aperture sizes，copper mesh wirediameters，laying methods，and injection positions，theoptimizationpathsofresinpermeabilityandporositywereanalyzed.Theexperimentalresultsshowedthatdifrent lay-upsequences andresin feed inletpositions had no significant impactonthecomposite material products.Thecopper wirespecification hadagreater impactonthecomposite material products.Whenthewire diameter was O.315，theaverage porosity was the smallest，with a value of 1.46% ，and when the wire diameter was O.4Oo，the interface bonding strength wasthegreatest，withavalueof 24.4MPa.Overall assessment showsthat thecomposite material productswithcopper mesh specification of GF1W1.25/O.4OO in the second group have the best performance.

Keywords： vacuum introduction；core copper mesh；low porosity

1引言

隨著航空航天領域、電子設備領域和新能源領域對產品輕量化、多功能等性能需求的增長，同時具備結構承載與導電功能的夾芯銅網復合材料成為當前研究熱點。目前，國際上制作大型構件使用的復合材料夾芯銅網結構，是在復材結構件的制造過程中將金屬網加入到構件內部及表面，來提高構件本身的樹脂浸潤性以達到提高產品質量的目的，一般采用的金屬網是銅網或鋁網[1-3]。銅網具有優異的延展性，常常將其嵌入復合材料夾芯層

傳統手糊或預浸料工藝難以實現銅網與樹脂的高效浸潤及低孔隙率結合。真空導人工藝（Vacu-umAssistedResinInfusion，VARI）憑借低成本、高纖維含量及低孔隙率的特點，成為制造大型構件的首選工藝。VARI是在樹脂傳遞模塑工藝的基礎上發展而來[4-5]，如圖1所示，VARI是在單面剛性模具上用真空袋薄膜包覆、密封纖維增強材料，然后進行真空負壓操作排除模腔中的氣體，隨后利用樹脂的流動性和滲透性實現對增強材料的浸漬，并在非熱壓罐條件下（固化爐）固化成型的一種工藝方法［4-8]。夾芯銅網的引入會明顯的改變樹脂流動路徑，從而出現浸潤不均、或者界面分層等問題。

注：1為樹脂桶，2為真空袋膜，3為脫模布，4為纖維增強材料，5為導流網，6為導流介質，7為模具，8為樹脂截料罐，9為真空系統

本次實驗在楊金水、王曉霞等[9-14]學者對玻璃鋼VARI研究的基礎上，系統的研究了銅網結構和注膠位置對樹脂流動行為、界面結合強度及最終制品性能的影響，采用正交實驗的方式對不同結構的銅網、不同進膠口位置的銅網進行表面導流實驗，探究注膠位置、銅網孔徑和銅網絲徑對VARI及其成型產品的影響。對采用VARI成型的產品開發和應用提供一定的參考價值。

2 實驗部分

2. 1 實驗材料與設備

原材料：銅網GF1W1.25/0.315、銅網GF1W1.25/0.400 、銅網GF1W1.25/0.500和銅網GF1W1.25/0.630 ，安平縣賽航絲網制造有限公司生產；低溫固化樹脂RIMR035C樹脂和RIMH037固化劑，亨斯邁集團生產；玻璃纖維增強布EWF450，常州天馬集團生產；真空袋膜 65μm ，耐溫 120‰ ，浙江佑威新材料生產；導流網 120# ，江蘇艾合復合材料有限公司生產；螺旋管、樹脂管，德州忠創復合材料有限公司生產。

實驗設備：平板模具，自研；固化爐（溫度精度 ），吳江東吳烘箱設備有限公司生產；真空泵，鑫誠機械有限公司生產。

2.2 實驗方案

實驗通過VARI工藝制備試樣，首先準備好不同規格的銅網，如圖2和圖3所示，將不同規格的銅網和玻璃纖維增強布裁剪成 800×200mm 的尺寸，按照表1所示鋪層順序進行鋪層，上覆導流網和真空袋膜，進行樹脂導入通過固化程序制作成特定尺寸的銅網樹脂板和復材層壓板，如圖4所示。分別采用不同規格的銅網進行表面導流，分析不同絲徑銅網的滲透狀態，同時研究銅網樹脂板的成型質量，按照圖5所示的鋪層順序分組，每相同參數的記為一組，每組均由1片銅網和4塊玻璃纖維增強布組成。更換不同規格銅網重復上述分組，進行正交實驗。

本研究中所有試樣均被單獨封裝于密封袋內，并按照既定順序在實驗平板上依次鋪設脫模布、隔離膜、導流網及導流管。進料管通過三通接頭連接，導流管則被安置于模具的下邊緣，并同樣通過三通接頭與抽氣管相連。在導氣管的外緣鋪設密封膠條，隨后利用真空袋對已經鋪設好的制品及管路進行封裝。進料管被密封后，抽氣管連接至真空泵。啟動真空泵，同時確保真空袋膜緊貼模具表面，持續抽氣直至壓力表顯示值低于 -0.09MPa 隨后關閉閥門，并觀察壓力表是否出現回彈現象。若壓力表無回彈，則表明真空袋密封良好；若出現回彈，則表明存在漏氣情況，需進行檢查以確定漏氣點，并進行必要的修補直至密封無誤。在確保20分鐘內無漏氣現象后，方可進行樹脂灌注操作。將樹脂與適量固化劑混合均勻后，待樹脂反應完全結束，打開主料口，持續監控樹脂流動狀態，并適時調整灌注速度。在注料過程中，需不斷檢查壓力表是否回彈以及真空袋是否破損，同時確認密封膠條粘接處是否出現漏氣。具體操作流程如圖6所示。注料完成后，密封注料管并關閉真空泵。隨后將試樣轉移至固化爐，在 70% 條件下固化2小時。固化過程結束后，關閉加熱裝置，并隨爐冷卻。待試樣冷卻至室溫后，進行脫模清理工作。

3 結果與討論

3.1不同鋪層順序對樹脂浸潤性的影響

不同鋪層順序下的制品如圖7所示，圖7（左）為銅網 +4 層玻璃纖維增強布的制品；圖7（中）為2層玻璃纖維增強布 + 銅網 +2 層玻璃纖維增強布的制品；圖7（右）為4層玻璃纖維增強布 + 銅網的制品，對比三種鋪層順序下的制品可以看出，三種制品的樹脂浸潤性相差不大，而且制品表面未出現白斑，因此鋪層順序的不同對制品樹脂浸潤性和制品質量的影響可忽略不計。

3.2不同銅絲規格與樹脂浸潤性分析

經比較，在相同面積條件下不同規格銅網與樹脂的浸潤效果顯示，絲徑尺寸越大，其樹脂的浸潤性能越低。在等效孔徑的銅網環境下，隨著絲徑增加，空隙尺寸相應擴大，從而導致樹脂與銅絲的接觸面積減縮。這種結構特征使得孔隙內部更易滯留空氣。在制品表面的白斑（直徑 gt;0.5mm ）的頻繁出現，對產品的表面質量造成了顯著的負面影響。不同絲徑的制品表面如圖8所示。

依據沈洋等[15]所提出的方法進行孔隙率的測試與計算，結果如表2所示。隨著銅網絲徑的增大，平均孔隙率呈現出線性增長趨勢。這一現象導致樹脂與銅絲的接觸面積相應減少，進而使得空氣更易在制品內部滯留，形成白斑，最終影響制品的表面質量。

3.3樹脂進料口位置對制品質量的影響

改變樹脂進料口位置所得復合材料制品如圖9所示，可以觀察到，四種復合材料制品均表現出優良的表面質量，未出現顯著的貧膠和干斑等缺陷；銅網與玻璃纖維增強材料的貼合度高，未出現銅網在制品中貼合不緊密、鼓包、分層等不良現象。改變樹脂進料口的位置不會影響復合材料制品的質量。

銅網在玻璃纖維增強材料中的應用能夠較好地滿足形狀相對簡單的VARI工藝制備需求，并且能夠實現較高的制品表面質量，該工藝技術展現了顯著的生產適用性。

3.4銅絲規格對界面結合強度的影響

依據《GB/T1446纖維增強塑料性能實驗方法總則》和《GB/T7124 膠黏劑 拉伸剪切強度的測定》有關標準，對每組實驗件進行加工處理，通過測試，得到界面結合強度，結果見表3。

實驗結果可以看出，不同銅絲規格對玻璃纖維復合界面強度的影響是有差異的，絲徑從0.315增加到0.630的過程中，玻璃纖維復合界面強度展現出先增加后減小的趨勢，其中絲徑0.315時玻璃纖維復合界面強度為 19.8MPa ，0.400時玻璃纖維復合界面強度為 24.4MPa ，0.500時玻璃纖維復合界面強度為 22.8MPa ，0.630時玻璃纖維復合界面強度為 20.5MPa ，可能是因為當絲徑過小時，絲徑內連接處的復合材料較少，強度較低；當絲徑過大時，絲徑內連接處出現氣泡等缺陷，強度降低。因此從實驗結果可以看出絲徑在0.4時展現出最優的粘結性能。

4結語

（1）在復材制品的VARI成型工藝中，成型表面質量跟銅網的規格有密切關系，絲徑越大，浸潤效果越差。樹脂不能有效的充滿網格之中，形成白斑，造成缺陷。

（2）在VARI成型工藝中改變注膠口位置，對制品質量影響不大，樹脂最終均能完整浸潤玻璃纖維增強材料，而且銅網在兩層玻璃纖維增強材料中間，銅網與玻璃纖維增強材料貼合很好，制件表面質量較高，該工藝技術具有較強的生產適用性。

（3）在復材制品的VARI成型工藝中，不同銅絲規格對玻璃纖維復合界面強度的影響是有差異的，隨著銅網絲徑的增加，玻璃纖維復合界面強度展現出先增加后減小的趨勢，在絲徑為0.400時表現出最佳的粘結性能。在實際生產中可以根據具體要求選擇不同的銅絲絲徑。

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