民用航空復(fù)合材料成型用可剝布評價(jià)與選用*

上海飛機(jī)制造有限公司 王 旭 陳璐圓 陳 萍 顧靈聰

復(fù)合材料已經(jīng)成為當(dāng)今航空、航天、體育、能源、船舶等各領(lǐng)域普遍采用的高性能材料之一。在復(fù)合材料成型過程中，可剝布是一種重要的工藝材料，可以用于形成復(fù)合材料的膠接表面，也可以用作復(fù)合材料熱壓罐成型的導(dǎo)氣層、導(dǎo)膠層等，不同種類的可剝布其性能與評價(jià)方法不同。鑒于軍事保密和技術(shù)水平限制，國內(nèi)軍用航空器制造商選用的復(fù)合材料基本都是國產(chǎn)材料，包括預(yù)浸料、膠膜和可剝布等；而國內(nèi)民用航空材料目前依靠進(jìn)口。國產(chǎn)材料的表觀質(zhì)量和性能穩(wěn)定性都明顯不如進(jìn)口材料。就可剝布而言，國內(nèi)可剝布的生產(chǎn)企業(yè)較少，且大多側(cè)重于風(fēng)電、船舶領(lǐng)域，目前還沒有類似濕可剝布的產(chǎn)品。本文將就民用航空復(fù)合材料成型用的可剝布的定義、分類、供應(yīng)、評價(jià)以及選用做簡要的介紹。

1 可剝布的定義與分類

1.1 可剝布的定義

在各類文獻(xiàn)資料中，對于可剝布的稱呼不盡相同，大部分國外的文獻(xiàn)將可剝布稱為“Peel ply”，也有少部分生產(chǎn)商將表面帶有脫模劑的可剝布劃分到“Release Fibric”一類。由于將可剝布從成型后的制件表面去除時(shí)的狀態(tài)，國內(nèi)有些生產(chǎn)商也形象地將其稱之為“扒皮布”，也有些文獻(xiàn)中將其稱為“可去除的保護(hù)層”，無論如何稱呼，可剝布指的是“為保持制件表面清潔完整，而置于待膠接表面的織物層”[1]。

1.2 可剝布的分類

可剝布分類方法較多，通常可以按照用途、材質(zhì)或使用溫度進(jìn)行劃分。按照用途的不同，可剝布大致可以分為用于膠接前表面處理的和用于表面保護(hù)2類；在用于膠接的可剝布中，按照表面是否被樹脂浸潤，還可以分為干態(tài)和濕態(tài)。按材質(zhì)的不同，可剝布可分為聚酯、尼龍和玻璃布3類；而按照使用溫度還可以分為低溫、中溫、高溫和超高溫4種類型。

（1）按用途分類。

按照用途將可剝布分為2類，第一類用于復(fù)合材料膠接表面的膠接前處理，這類可剝布的主要作用是使表面變得粗糙并具有化學(xué)活性[2]，增加膠接的強(qiáng)度。目前這類用于膠接的可剝布主要向“干可剝布”和“濕可剝布”2個(gè)發(fā)展方向。

干可剝布表面不含有其他涂層或雜質(zhì)，在使用過程中不會對膠接面帶來任何污染。相較于濕可剝布，它的優(yōu)點(diǎn)是無儲存期限和溫度的限制，質(zhì)量輕，便于貯存和運(yùn)輸；缺點(diǎn)是在從制件表面移除后會帶走表面的一層樹脂，容易引起制件表面貧膠，嚴(yán)重時(shí)可能引起表面纖維的裸露甚至剝離。目前，國內(nèi)航空企業(yè)主要使用干可剝布。

濕可剝布表面浸潤有一層樹脂，與干可剝布相比，濕可剝布最大的優(yōu)點(diǎn)是避免了制件表層樹脂的損失，并且可粘結(jié)工裝，避免滑移。固化后易于剝離，可以節(jié)約生產(chǎn)的工時(shí)和成本。但此類可剝布使用時(shí)必須與制件的基材樹脂體系相匹配，因此單一種類的可剝布不具備廣泛的適用性。另外，還需要低溫存儲，在常溫條件下具有操作壽命與力學(xué)性能壽命，濕可剝布的鋪貼需要在操作壽命結(jié)束之前完成，而帶有濕可剝布的制件則需要在力學(xué)性能壽命結(jié)束之前完成固化，這給制件的質(zhì)量控制和生產(chǎn)計(jì)劃安排提出了新的要求。目前這種可剝布已經(jīng)在波音等國外的航空企業(yè)得到批準(zhǔn)和應(yīng)用。

第二類可剝布主要用于制件固化表面的保護(hù)，這類可剝布的表面帶有硅酮或聚四氟乙烯涂層，可以在固化后很容易從制件表面剝離。這種可剝布在保護(hù)零件表面的同時(shí)，也起到一定程度導(dǎo)氣作用，有利于提高零件表面質(zhì)量。

（2）按材質(zhì)分類。

可剝布按照基材分為聚酯（滌綸）、聚酰胺（尼龍）、玻璃布3種。其中聚酯和尼龍2種材質(zhì)使用較為普遍，一般可以通用。但在波音與華盛頓大學(xué)共同開展的一項(xiàng)試驗(yàn)中，尼龍可剝布處理后的表面使用MB1515-3膠膜進(jìn)行交接后，膠接強(qiáng)度大幅下降。而其他共同試驗(yàn)的膠膜卻沒有類似的結(jié)果[3-4]。這個(gè)結(jié)果表明對于特定的膠膜和可剝布，需要開展研究，以確定它們之間的匹配性。Benard等發(fā)現(xiàn)，相同粗糙度的情況下，對于極性液體，尼龍?zhí)幚磉^的表面浸潤角更小，而對于非極性液體，聚酯處理過的表面浸潤角更小，甚至可以低至零[5]。

玻璃布由于強(qiáng)度較低，不易剝離故使用較少，一般表面涂聚四氟乙烯，形成的可剝布主要用于脫模。

（3）按使用溫度分類。

可剝布也可以用使用溫度來分類。一般可以分為4種，適用于低溫固化的，指使用溫度低于120℃的可剝布，如用于風(fēng)機(jī)葉片和船體大型模具中的低成本多孔尼龍可剝布；適用于中溫固化的，指使用溫度介于120～ 180℃；適用于高溫固化的，指使用溫度介于180～245℃；適用于超高溫固化的可剝布，通常指耐溫高于300℃。

2 可剝布的來源

2.1 國外可剝布供應(yīng)商

目前，國外主要的可剝布供應(yīng)商有Airtech、Cytec、Henkel以及Hexcel。Airtech是傳統(tǒng)的航空輔助材料供應(yīng)商，成立于1973年，在國際市場上被廣泛認(rèn)可，其供應(yīng)的產(chǎn)品系列中，Release Ply系列的可剝布為不帶涂層，可用于膠接的可剝布；Bleeder Lease系列的可剝布則表面帶有硅酮涂層，用于零件表面保護(hù)。Release Ease系列是表面帶有PTFE涂層的玻璃基材可剝布，通常用于脫模；而Econo系列則是經(jīng)濟(jì)型可剝布，該系列產(chǎn)品的最高的適用溫度僅為190℃。表1和表2中所示為Release Ply系列與Bleeder Lease系列中主要的產(chǎn)品特性。Cytec、Henkel以及Hexcel均是以生產(chǎn)樹脂為主，在2011年Cytec收購Richmond之前，這3家公司在可剝布產(chǎn)品中主要以濕可剝布為主，用以匹配各自的復(fù)合材料預(yù)浸料主材。在Cytec收購Richmond，并將其更名為Umico公司之后，原Richmond的部分產(chǎn)品得以保留并進(jìn)入Cytec公司產(chǎn)品的供應(yīng)清單，如廣泛用于膠接表面處理的60001等。 CYTEC目前用于膠接表面處理的可剝布產(chǎn)品特性如表3所示。

Henkel公司目前只生產(chǎn)一種濕可剝布，即EA9895WPP，該可剝布適用于環(huán)氧體系，為聚酯基材，固化溫度為180℃。

Hexcel公司在濕可剝布領(lǐng)域的產(chǎn)品主要有2種，牌號是 HexPly?M21/48%/F08111 和 HexPly?F161/ 43%/F08111，均為環(huán)氧樹脂織物預(yù)浸料，其中M21和F161代表樹脂類型，也分別代表了這2種可剝布匹配的樹脂體系，織物基材為聚酯，固化溫度為180℃，保存期限為從生產(chǎn)之日起在-18℃保存12個(gè)月。

表1 Airtech公司Release Ply系列產(chǎn)品特性

表2 Airtech公司Bleeder Lease系列產(chǎn)品特性

表3 Cytec公司膠接表面處理用可剝布

2.2 國內(nèi)可剝布供應(yīng)商

國內(nèi)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)起步較晚，在可剝布領(lǐng)域，尚未有成熟的產(chǎn)品獲得民用航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品也主要是以干可剝布以及非膠接表面處理用可剝布為主。大部分復(fù)合材料成型用工藝材料的生產(chǎn)單位主要面向風(fēng)電領(lǐng)域，如上海瀝高、浙江佑威、上?？嫡沟取?/p>

3 可剝布的評價(jià)

根據(jù)不同的類別和用途，可剝布的評價(jià)指標(biāo)也不盡相同。由于膠接用可剝布對于膠接質(zhì)量的重要影響，國際上很多航空制造企業(yè)都對膠接用可剝布提出了性能的要求，這些要求不僅包括可剝布自身的物理、化學(xué)特性，還包括使用這些可剝布制成的膠接試驗(yàn)件的性能。

3.1 非膠接可剝布的評價(jià)

對于非膠接用途，表面帶有脫模劑的可剝布，其耐溫性、單位面積質(zhì)量是評價(jià)和選用的重要指標(biāo)，單位面積質(zhì)量決定了可剝布的吸膠量，同時(shí)也大致決定了可剝布的使用成本。使用者依據(jù)制件固化所需的溫度，以及工藝所需的吸膠量來選用合適的可剝布。

3.2 用于膠接的干可剝布的評價(jià)

對于這種可剝布，主要控制的理化特性包含：萃取殘留物、纖維成份、織物均勻性以及斷裂強(qiáng)度。其中對殘留物控制是對可剝布中雜質(zhì)的控制，防止表面雜質(zhì)殘留在膠接面，影響膠接性能性能。纖維成份的監(jiān)控主要是保證纖維原材料供應(yīng)的穩(wěn)定性和一致性，可以通過紅外光譜的方法監(jiān)控，也有通過pH的測試來進(jìn)行監(jiān)控?？椢锏木鶆蛐砸话悴捎梅Q重或厚度測試來控制。斷裂強(qiáng)度則是可剝布使用性能的重要指標(biāo)，在從制件表面剝離時(shí)，如果可剝布的斷裂強(qiáng)度不足，則會發(fā)生斷裂，增加施工的難度。

對于力學(xué)性能，主要采用考察膠接性能的力學(xué)項(xiàng)目，如搭接剪切、斷裂韌性（GIC）。這2項(xiàng)指標(biāo)均是評價(jià)膠接質(zhì)量的有效指標(biāo)。在正常的破壞模式中，破壞的位置出現(xiàn)在膠膜內(nèi)部，一旦發(fā)現(xiàn)破壞的位置出現(xiàn)在用可剝布處理過的膠接界面，同時(shí)伴隨著膠接強(qiáng)度的大幅下降，則表明所用的可剝布不能產(chǎn)生有效的膠接表面。

對于可剝布的工藝性，有一項(xiàng)重要的指標(biāo)為“剝離強(qiáng)度”，該強(qiáng)度用來判斷可剝布被剝離制件膠接面時(shí)的難度。Benard對可剝布形成的制件表面進(jìn)行表征，復(fù)合材料表面的樹脂層完全復(fù)制了可剝布的紋理[5]，并在織物經(jīng)緯紗的空隙中溢出至可剝布的另一面，當(dāng)剝離可剝布時(shí)，實(shí)際上，一方面是將粘接在樹脂上的織物纖維剝離，另一方面是使每一個(gè)在經(jīng)緯紗空隙處連接上下兩層樹脂的樹脂帶斷裂（見圖1）。因此，剝離的難度不僅取決于織物本身的材質(zhì)，也取決于織物經(jīng)緯紗的粗細(xì)以及編織方式。若越剝離越困難，則意味著工人在實(shí)施制件膠接前撕去可剝布需要的時(shí)間更多。因此，適用于工業(yè)生產(chǎn)的可剝布應(yīng)將這種剝離強(qiáng)度限制在一定的范圍，以避免工時(shí)的延長所帶來的成本增加。這一剝離強(qiáng)度與可剝布的材料、密度、吸膠程度等綜合因素有關(guān)，該指標(biāo)的控制可以通過“滾筒剝離強(qiáng)度”測試來實(shí)現(xiàn)。

圖1 Benard等測定不同種類可剝布形成的制件表面形貌以及粗糙度[5]Fig.1 Benard, et al. measured surface morphology and roughness of different kinds of peel ply

3.3 膠接用濕可剝布的評價(jià)

濕可剝布由于表面浸潤有一層樹脂，因此在一些資料中，也將此類可剝布?xì)w為“預(yù)浸料（Prepreg）”，它的很多評價(jià)指標(biāo)也與制造結(jié)構(gòu)的預(yù)浸料相似。

在物理性能方面，需要控制樹脂含量、纖維面積質(zhì)量、揮發(fā)份含量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、耐環(huán)境性等。樹脂含量和纖維面積質(zhì)量兩項(xiàng)指標(biāo)主要控制濕可剝布的均勻性。而揮發(fā)份含量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、耐環(huán)境性則是關(guān)注濕可剝布上樹脂的性能，由于該樹脂層隨著制件同時(shí)固化，因此揮發(fā)份含量不能高于制件本體樹脂的揮發(fā)份含量，否則將引起制件的孔隙率上升。在可剝布被剝離后，該樹脂層將有部分殘留于膠接表面，最終成為制件的一部分，因此，該樹脂層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、耐環(huán)境性能等亦不能低于制件本體樹脂材料。

在化學(xué)性能方面，與本體預(yù)浸料類似，對于濕可剝布也需要進(jìn)行紅外光譜測試與高壓液相色譜測試，以保證每一批次的材料均一穩(wěn)定，成分不發(fā)生變化。

在力學(xué)性能與工藝性能方面，與干可剝布類似，也需要評價(jià)使用濕可剝布處理的膠接試驗(yàn)件的搭接剪切、斷裂韌性以及與制件剝離時(shí)的剝離強(qiáng)度。

4 民用航空可剝布的選用與控制

鑒于可剝布對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的重要性，尤其對于復(fù)合材料膠接性能的重要影響，國際上主要的民用航空制造商對膠接用可剝布的選用都有專門的技術(shù)文件做出說明和限制，如波音公司的材料規(guī)范BMS-308、龐巴迪公司的材料規(guī)范BAMS541-001中國商飛的工藝材料選用目錄CDS0030以及空客公司工藝規(guī)范中的工藝材料附錄清單，都規(guī)定了工藝過程可以選用的可剝布牌號以及供應(yīng)商。

進(jìn)入這些清單名冊的產(chǎn)品與供應(yīng)商是經(jīng)過嚴(yán)格的篩選和審核的，篩選的依據(jù)主要是產(chǎn)品的性能。對于民用航空制造領(lǐng)域，材料性能的優(yōu)劣包含2個(gè)方面，一方面是材料自身各項(xiàng)性能指標(biāo)；另一方面是在長期多批次的供應(yīng)中，材料的穩(wěn)定性。為保證清單中的產(chǎn)品能夠滿足要求，通常需要經(jīng)過申請、性能測試、工藝控制文件評審、現(xiàn)場評審、產(chǎn)品抽樣測試、資格認(rèn)定等6個(gè)環(huán)節(jié)才能將某牌號的可剝布納入可選的范圍，如圖2所示。

首先是供應(yīng)商的申請，當(dāng)供應(yīng)商確定自己的產(chǎn)品能夠達(dá)到主制造商（OEM）的要求后，向OEM提出申請并提供測試報(bào)告和樣品。所提供的測試報(bào)告由供應(yīng)商自己或其指定的測試機(jī)構(gòu)提供，測試項(xiàng)目應(yīng)包含OEM發(fā)布的技術(shù)文件中包含的全部測試項(xiàng)目。

圖2 航空企業(yè)工藝材料供應(yīng)商選擇流程圖Fig.2 Process material supplier selection process chart for aviation enterprises

其次是主制造商使用供應(yīng)商提供的樣品進(jìn)行測試，該測試在OEM或其指定的評估機(jī)構(gòu)進(jìn)行。該測試具有2個(gè)方面的作用，首先是對產(chǎn)品進(jìn)行初步評估，確定所提供的產(chǎn)品能夠滿足要求；其次是通過比對測試結(jié)果與供應(yīng)商提交的結(jié)果，也能得到對于供應(yīng)商測試機(jī)構(gòu)測試能力的初步評判。當(dāng)測試結(jié)果表面產(chǎn)品能夠達(dá)到OEM的需求后，就進(jìn)入工藝控制文件評審環(huán)節(jié)。

工藝控制文件（Process Control Document，PCD）評審環(huán)節(jié)，是指OEM對于供應(yīng)商所有的工藝控制文件進(jìn)行評估審查。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，供應(yīng)商需要提交所有的工藝控制文件，包括人員、設(shè)備、原材料、環(huán)境、管理制度等，由OEM進(jìn)行審核。PCD評審關(guān)注的重點(diǎn)在于工藝文件的控制范圍是否涵蓋了所有需要控制的關(guān)鍵參數(shù)以及控制方法是否合理可行，而非文件中參數(shù)的正確性，因?yàn)閰?shù)的正確性最終將在產(chǎn)品性能上有所體現(xiàn)。在評審中，供應(yīng)商有可能根據(jù)OEM的要求補(bǔ)充提交或編制新的控制文件。

PCD評審?fù)ㄟ^后，將進(jìn)入現(xiàn)場審核階段，現(xiàn)場評審重點(diǎn)關(guān)注PCD的執(zhí)行情況。在現(xiàn)場審核中，OEM的代表將實(shí)地審核生產(chǎn)現(xiàn)場是否達(dá)到PCD文件中所提到的要求，包括各種參數(shù)的數(shù)值設(shè)定、控制記錄、人員資質(zhì)、設(shè)備定檢等。

在現(xiàn)場審核的同時(shí)，OEM在供應(yīng)商的生產(chǎn)現(xiàn)場隨機(jī)抽取一定批次量的產(chǎn)品，并送往指定的測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試，對測試結(jié)果的分析中，不僅包括對產(chǎn)品的性能的評估，還包括不同批次產(chǎn)品之間性能差異的評估。PCD評審、現(xiàn)場審核以及產(chǎn)品抽樣測試3個(gè)環(huán)節(jié)共同構(gòu)成了對供應(yīng)商生產(chǎn)體系的評估。

在通過前5個(gè)環(huán)節(jié)的評估過后，則進(jìn)入資格認(rèn)定程序，將與產(chǎn)品有關(guān)的所有信息予以固化和批準(zhǔn)，并將供應(yīng)商列入供應(yīng)商名錄。在資格認(rèn)定之后，產(chǎn)品任何的變更都要告知主OEM，并由其評估是否需要重新審查，以及重新審查的內(nèi)容，并根據(jù)審查的結(jié)果決定是否將新產(chǎn)品繼續(xù)保留在可選的名錄之中。

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