復(fù)雜曲面夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件成型工藝研究

摘 要：以復(fù)雜曲面大尺寸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件為研究對(duì)象，考察了復(fù)雜曲率形狀的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制件的成型工藝，以及不同共膠接工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料制件質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：對(duì)于等厚度、曲率變化大的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，采用共膠接的成型方法成型內(nèi)蒙皮時(shí)，采用卸真空的工藝會(huì)導(dǎo)致內(nèi)蒙皮內(nèi)部質(zhì)量較差，而采用抽真空的工藝并選用合適壓力的工藝方法，會(huì)保證內(nèi)蒙皮成型質(zhì)量好的同時(shí)又能滿足蜂窩芯的抗壓要求。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜曲面；復(fù)合材料；蜂窩夾層；空隙密集

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是一種特殊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，是由多層面板之間夾一層蜂窩芯子并用膠粘劑在一定壓力和溫度下復(fù)合而成的整體剛性結(jié)構(gòu)。因其具有彎曲強(qiáng)度大、抗剪切失穩(wěn)能力強(qiáng)、重量輕的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于對(duì)性能和重量有特殊要求的航天、航空結(jié)構(gòu)中。

隨著復(fù)合材料技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用越來越廣泛[1]，其主要的一個(gè)目的就是為了減重。采用整體成型大型復(fù)合材料可有效降低成本，減少緊固件和零件的數(shù)量，對(duì)整體減重有很好的效果[2]。目前對(duì)實(shí)體復(fù)合材料整體成型技術(shù)的研究較多，針對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整體成型的文獻(xiàn)比較少，尤其對(duì)大型復(fù)雜曲面夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料整體成型的報(bào)導(dǎo)更少。文章研究了某型號(hào)用設(shè)備艙口蓋蜂窩夾層制件的研制，對(duì)不同固化工藝參數(shù)對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)制件質(zhì)量的影響做了考察，為以后工程應(yīng)用中研制各種規(guī)格、形狀的夾芯結(jié)構(gòu)制件提供了參考。

1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制件的結(jié)構(gòu)、形狀、材料及制造難點(diǎn)

1.1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制件的結(jié)構(gòu)、形狀、材料

蜂窩夾層零件外形尺寸為：4450mm×2500mm×760mm。主要外形尺寸特點(diǎn)：尺寸大、型面復(fù)雜，主要由外蒙皮、膠粘劑、蜂窩芯、膠粘劑、內(nèi)蒙皮和加強(qiáng)板及墊板組成，其中內(nèi)外蒙皮面板材料為T300/BA9913預(yù)浸料，內(nèi)外蒙皮鋪層均為[-45/0/+45/90]s。T300/BA9913預(yù)浸料含膠量為31±2%，固化后單層厚度為0.125mm，由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)，其層壓板標(biāo)準(zhǔn)固化工藝規(guī)范見圖1。內(nèi)外蒙皮中間為Nomex芳綸紙蜂窩芯材：蜂窩規(guī)格NRH-2-48（0.05），高度6mm，由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)，制件四周蜂窩有不同角度的斜切角；內(nèi)外蒙皮之間在蜂窩的外側(cè)有一圈加強(qiáng)板，加強(qiáng)板材料為T300/BA9913預(yù)浸料，加強(qiáng)板鋪層為[-45/0/+45/90]s。板-板區(qū)用J-272B膠膜膠接：厚度（0.18±0.02）mm，面密度：（220±30）g/m2，紗網(wǎng)載體膠膜，黑龍江石化所；板-芯區(qū)用J-272C膠膜膠接：厚度（0.25±0.02）mm，面密度：（300±30）g/m2，紗網(wǎng)載體膠膜，黑龍江石化所；蜂窩拼縫用J-275發(fā)泡膠填充：厚度（1.3±0.2）mm，管剪強(qiáng)度（23℃）≥5.5MPa，管剪強(qiáng)度（80℃）≥4.5MPa，黑龍江石化所。

1.2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型難點(diǎn)

（1）蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的共固化工藝參數(shù)的確定；

（2）內(nèi)外蒙皮內(nèi)部質(zhì)量的控制措施。

2 蜂窩夾芯共膠接成型工藝研究

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的共固化工藝參數(shù)的確定：

復(fù)合材料整體成型最基本的方法是共固化、共膠接、二次膠接技術(shù)，也是降低制造成本和發(fā)揮復(fù)合材料減重的主要技術(shù)途徑。共固化技術(shù)是指不同的復(fù)合材料制件在一次固化中同時(shí)完成膠接和固化過程的工藝方法，共膠接是指把一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)固化成型，另一個(gè)或多個(gè)未固化的零件通過膠粘劑在一次固化中膠接成一個(gè)整體制件的工藝方法，二次膠接技術(shù)是已固化了的不同的復(fù)合材料制件通過膠粘劑再次固化膠接的過程[3-5]。采用共固化成型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，由于蜂窩芯的原因，蒙皮成型壓力不能太高并且壓力分布不均勻，蒙皮的內(nèi)部質(zhì)量難以控制；二次膠接成型方法工序較多，且內(nèi)外蒙皮預(yù)先固化需要兩套模具，成本比較高，并且蜂窩抗側(cè)壓能力比較弱，在成型曲率變化比較大、坡度比較陡復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，蜂窩會(huì)出現(xiàn)滑移甚至塌陷等情況，膠接難度大；所以選擇共膠接成型方法成型此蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。采用預(yù)浸料-熱壓罐成型工藝制備該制件，工藝流程如圖2所示。

其中外蒙皮為貼模面，按圖1所示的固化工藝規(guī)范進(jìn)行單獨(dú)固化，成型質(zhì)量較高。內(nèi)蒙皮是與外蒙皮和蜂窩芯膠接在一起的同時(shí)進(jìn)行固化。由于蜂窩芯子是一種薄壁、彈性結(jié)構(gòu)，承受載荷過大的時(shí)候容易發(fā)生撕裂、壓皺、塌陷等缺陷，尤其是在內(nèi)蒙皮與蜂窩結(jié)構(gòu)共膠接過程中，內(nèi)蒙皮與蜂窩區(qū)所受壓力要一致；如果內(nèi)蒙皮加壓不夠大會(huì)導(dǎo)致內(nèi)蒙皮質(zhì)量達(dá)不到要求，如果滿足內(nèi)蒙皮的壓力要求，蜂窩區(qū)就會(huì)被壓塌，蜂窩邊緣會(huì)出現(xiàn)回縮現(xiàn)象，導(dǎo)致復(fù)合材料制件報(bào)廢，直接帶來經(jīng)濟(jì)損失。

這里工藝件1選用的內(nèi)蒙皮共膠接工藝為：室溫抽真空，加壓至（+0.1±0.02）MPa，通大氣，加壓至（+0.2±0.02）MPa，升溫至120（0～+5）℃，保溫2小時(shí)，降至70℃以下，壓力降至+0.1MPa，抽真空至-0.1MPa，壓力降至0，開門關(guān)機(jī)憋真空。0.5℃/min≤升溫速率≤1.5℃/min，降溫速率≤1.5℃/min。此工藝過程，在室溫條件下依靠真空使蜂窩芯與蒙皮貼連緊密并固定不產(chǎn)生位置滑移，但隨著溫度逐漸升高，采用加壓的方法替代真空，一方面可以繼續(xù)對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)施加壓力，另一方面可以消除升溫過程中真空對(duì)蜂窩內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能造成的負(fù)作用。按此工藝成型出的內(nèi)蒙皮內(nèi)部質(zhì)量較差，無損檢測有多處超標(biāo)缺陷。

通過工藝件1的檢測結(jié)果來看，以上工藝不利于內(nèi)蒙皮的內(nèi)部質(zhì)量，可能是由于固化過程中卸掉真空，不利于內(nèi)蒙皮內(nèi)部空氣的趕出，并且施加的壓力較小，樹脂流動(dòng)性不好，纖維不易均勻浸潤易造成缺陷。針對(duì)此結(jié)果，工藝件2增加全程抽真空的環(huán)節(jié)，并將壓力適當(dāng)增加，并設(shè)85℃保溫臺(tái)階。工藝件2選用的內(nèi)蒙皮共膠接工藝為：室溫抽真空，加壓至（+0.3±0.02）MPa，升溫至85（-10～+10）℃，保溫0.5小時(shí)，升溫至120（0～+5）℃，保溫2小時(shí)，降至70℃以下，卸壓關(guān)機(jī)憋真空。0.5℃/min≤升溫速率≤1.5℃/min，降溫速率≤1.5℃/min。按此工藝成型出的內(nèi)蒙皮內(nèi)部質(zhì)量好，經(jīng)無損檢測未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，內(nèi)部質(zhì)量較工藝件1有了大幅度改善。

因此我們選用工藝件2的工藝成型此制件，按此工藝成型出來的制件無損檢測未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，蜂窩區(qū)未出現(xiàn)塌陷，蜂窩邊緣未出現(xiàn)回縮現(xiàn)象。由此可以看出，按此工藝成型出來的制件既能滿足內(nèi)蒙皮的內(nèi)部質(zhì)量又能滿足蜂窩芯的抗壓要求。

3 結(jié)束語

（1）采用T300/BA9913預(yù)浸料和NRH-3-48（0.05）蜂窩芯材為原材料的復(fù)雜曲面大尺寸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)采用共膠接的工藝方法研制出來的制件滿足設(shè)計(jì)要求，其工藝路線和方案可行。

（2）內(nèi)蒙皮固化時(shí)采用抽真空的工藝方法，并選擇合格的成型壓力，能夠研制出滿足設(shè)計(jì)要求的制件，該成型方法既能滿足蒙皮的內(nèi)部質(zhì)量，又能滿足蜂窩芯的抗壓要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王菲，楊博，陳永清，等.大尺寸復(fù)合材料翼梁的研制[J].航空制造技術(shù)，2015（S1）.

[2]陽燦，周洪飛.石英玻璃纖維布增強(qiáng)BMP350聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料性能研究[J].航空制造技術(shù)，2014.

[3]陳紹杰.談?wù)剰?fù)合材料整體成型技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2005，9.

[4]張紀(jì)奎，酈正能，程小全，等.復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)在大型民機(jī)上的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2007，9.

[5]畢紅艷.共固化成型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)缺陷分析及工藝改進(jìn)[Z].北京：中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，2014.

作者簡介：臺(tái)元月（1982，12-），女，山東諸城人，碩士，漢族，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，工程師，研究方向：先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)。