高樹脂含量預(yù)浸料工程應(yīng)用研究

武彬彬，閆恩瑋，王 瑩

（中航工業(yè)西飛，陜西 西安 710089）

高樹脂含量預(yù)浸料工程應(yīng)用研究

武彬彬，閆恩瑋，王 瑩

（中航工業(yè)西飛，陜西 西安 710089）

以雙馬樹脂碳纖維織物預(yù)浸料為對象，通過制作試驗(yàn)件，對比分析不同吸膠材料及其工藝組合的吸膠能力，在保證產(chǎn)品性能的前提下，制訂了可剝保護(hù)層和干玻璃布吸膠的工藝方法，并將此方法應(yīng)用于典型零件的制造，在質(zhì)量控制方面取得了明顯效果。

高樹脂含量預(yù)浸料；吸膠；質(zhì)量控制

復(fù)合材料具有良好的比強(qiáng)度、比模量高、質(zhì)量輕、耐腐蝕性能，近年來，在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料的使用量已經(jīng)成為衡量飛機(jī)性能先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。

用在飛機(jī)上的復(fù)合材料是由預(yù)浸料鋪貼而成的，預(yù)浸料又是由纖維和樹脂組成。復(fù)合材料由預(yù)浸料鋪貼完成后，進(jìn)入熱壓罐進(jìn)行高溫高壓化學(xué)反應(yīng)，形成復(fù)合材料零件，這樣的制造工藝叫做熱壓罐工藝，而對于熱壓罐制造工藝來說，預(yù)浸料自身性能對產(chǎn)品物理特性有重要影響。而復(fù)合材料應(yīng)用的一個最主要的目的就是減重，若預(yù)浸料的樹脂含量過高，制成零件后會增加復(fù)合材料零件的質(zhì)量，減弱復(fù)合材料質(zhì)量輕等優(yōu)勢，無法滿足設(shè)計要求。因此，在使用高樹脂含量的預(yù)浸料時，需要采用吸膠的工藝措施，調(diào)節(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量和厚度，實(shí)現(xiàn)減重目的。

熱壓罐工藝主要的2種結(jié)構(gòu)為層壓制件（即制件均由預(yù)浸料組成）和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)（即層壓制件中間加了一層蜂窩芯）。本研究通過制作層壓制件和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試板，分析對比2種吸膠材料和6種工藝組合的實(shí)際吸膠能力，確定一套適宜的工藝方法，并將此方法應(yīng)用于典型零件的制造，在質(zhì)量控制方面取得了明顯成效。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料

雙馬樹脂碳纖維織物預(yù)浸料QY8911/CF3031（樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)43（空格）%），中航復(fù)材；膠膜J188，黑龍江石化院；蜂窩芯NH-1-2.7-48，中航復(fù)材；可剝保護(hù)層材料BLEEDER LEASE B，AIRTECH公司；干玻璃布EW290（0.29 mm厚），上海耀華。

1.2 儀器及設(shè)備

熱壓罐，SCH-4 m×10 m，德國肖茨公司；電子試驗(yàn)機(jī)，instron4467，美國；體視顯微鏡，Leica M125，德國。

1.3 試驗(yàn)件類型

本試驗(yàn)共制作層壓制件、蜂窩夾層制件2種不同類型的試板。試板具體結(jié)構(gòu)如下：

1）層壓制件試板，鋪層共10層，角度全0°。

2）夾層制件試板，鋪層共7層（含蜂窩芯），角度全0°。

1.4 工藝組合

本試驗(yàn)探討了6種不同的吸膠工藝組合對制件厚度、質(zhì)量的影響。各工藝組合之間除了吸膠材料不同外，主材料及其他輔助材料完全相同。

吸膠工藝組合的示意圖及編號如圖1所示：

圖1 制袋示意圖Fig.1 Schemetic of bag-making

預(yù)吸膠是指通過2次吸膠來控制產(chǎn)品的厚度、質(zhì)量的過程。這2次吸膠所采用的工藝組合均為1層可剝保護(hù)層+1層干玻璃布。

為明確各種工藝方法對產(chǎn)品厚度、質(zhì)量的影響，層壓制件和蜂窩夾層制件均制作了空白對照組如圖1（f）組所示，用以作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

1.5 性能測試

彎曲強(qiáng)度：按照ASTM D790進(jìn)行制造及測試；

層間剪切：按照ASTM D 2344進(jìn)行制造和測試；

孔隙率：按照GB/T 3365—1982進(jìn)行制造和測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 層壓試板的厚度、質(zhì)量

表2為層壓件試板的測量數(shù)據(jù)。由表2可以看出，通過變換吸膠材料的層數(shù)及次數(shù)均可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)產(chǎn)品的厚度和質(zhì)量。

表2 層壓試件測量數(shù)據(jù)Tab.2 Test results of laminate specimens

按照材料標(biāo)準(zhǔn)信息，預(yù)浸料固化后的理論單層厚度為（0.21±0.02）mm，理論體密度為（1.53±0.04）g/cm3。根據(jù)實(shí)測厚度、實(shí)測質(zhì)量與材料的理論厚度、理論質(zhì)量相比，得到試板的實(shí)際厚度與理論厚度比值、實(shí)際質(zhì)量與理論質(zhì)量比值信息，如圖2、圖3所示。

圖2 試板厚度百分比圖Fig.2 Thickness percentage of specimen panels

由圖2及圖3可以看出，為了保證復(fù)合材料制件的厚度、質(zhì)量公差±8%，對于層壓制件而言，1層可剝保護(hù)層+1層干玻璃布的吸膠措施是最適宜的工藝措施。

2.2 各材料的吸膠能力

圖3 試板質(zhì)量百分比圖Fig.3 Weight percentage of specimen panels

本次試驗(yàn)使用了可剝保護(hù)層、干玻璃布這2種吸膠材料。將每一塊試板上用到的吸膠材料撕下并進(jìn)行稱重測量，將所有吸出的樹脂質(zhì)量計算平均值，可以得到本次試驗(yàn)用到的2種吸膠材料的吸膠能力，見表3。

表3 不同材料吸膠能力Tab.3 Capability of absorbing resin for different materials

2.3 蜂窩芯夾層試板的厚度、質(zhì)量

表4是蜂窩夾層試板的測量數(shù)據(jù)，可以看出，相比于未采取任何吸膠措施的空白對照組，相比于層壓試板，不論是增多吸膠材料的層數(shù)或是增加吸膠次數(shù)，都無法對試板的厚度和質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。各種吸膠材料及其工藝組合僅吸附了非常有限的樹脂，這和蜂窩夾層零件的結(jié)構(gòu)特殊性有關(guān)。

表4 夾層試件測量數(shù)據(jù)Tab.4 Measurement data of sandwich specimens

從結(jié)構(gòu)而言，蜂窩夾層零件的預(yù)浸料分為芯上鋪層和芯下鋪層2部分。結(jié)合蜂窩夾層制件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定了如下工藝方法來調(diào)節(jié)產(chǎn)品的厚度和質(zhì)量：首先鋪貼芯下鋪層，在芯下鋪層表面放置1層可剝保護(hù)層+1層或多層干玻璃布進(jìn)行預(yù)吸膠；然后鋪貼蜂窩芯和后續(xù)的芯上鋪層；最后在制件表面放置1層可剝保護(hù)層，進(jìn)行固化。

這種工藝方法針對蜂窩芯夾層制件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其傳統(tǒng)的鋪貼過程分為2個相互獨(dú)立的環(huán)節(jié)，一個是鋪貼芯下鋪層，另一個是鋪貼蜂窩芯和芯上鋪層，通過這種方法，有效地調(diào)節(jié)了蜂窩夾層制件的質(zhì)量。

2.4 力學(xué)性能

將按照選擇好的吸膠方案制造的試板進(jìn)行力學(xué)測試，結(jié)果見圖4～6。

圖4 試板彎曲強(qiáng)度測試值Fig.4 Measurement results of bending strength of specimen panels

圖5 試板層間剪切強(qiáng)度測試值Fig.5 Measurement results of shearing strength of specimen panels

圖6 試板孔隙率測試值Fig.6 Results of porosity test of the panels

由圖4～6可以看出，經(jīng)過吸膠處理的試板，無論是力學(xué)性能彎曲強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度還是代表內(nèi)部質(zhì)量的孔隙率均高于ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

由此可見，在保證產(chǎn)品力學(xué)性能的情況下，采取吸膠措施可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整試板的厚度、質(zhì)量，以達(dá)到復(fù)合材料零件減重的目的。

3 典型件驗(yàn)證

將上述研究成果應(yīng)用于典型件制造，以驗(yàn)證此種工藝方法在實(shí)際生產(chǎn)中的使用效果。

圖7橫坐標(biāo)為批次號，縱坐標(biāo)為實(shí)際質(zhì)量與理論質(zhì)量百分比，圖示為連續(xù)4個批次的質(zhì)量統(tǒng)計曲線。批次1未采取任何吸膠措施，批次2至批次4均采用了上述試驗(yàn)中選擇的最優(yōu)方案，即1層可剝保護(hù)層+1層干玻璃布的吸膠措施。圖8是4個蜂窩夾層零件連續(xù)5個批次的質(zhì)量統(tǒng)計。批次1和批次2未采取任何吸膠措施，批次3至批次5均采用了針對于蜂窩夾層零件的預(yù)吸膠措施。由圖可以看出，不采用任何吸膠措施質(zhì)量超出設(shè)計8%的范圍要求，而采用吸膠措施的質(zhì)量分布情況均在設(shè)計要求公差8%范圍內(nèi)。

圖7 典型層壓零件質(zhì)量統(tǒng)計Fig.7 Weights statistics of typical laminated parts

圖8 典型蜂窩夾層零件質(zhì)量統(tǒng)計Fig.8 Weights statistics of typical honeycomb sandwich parts

4 結(jié)語

1）針對高樹脂含量的預(yù)浸料在熱壓罐工藝中的應(yīng)用，確定了采用可剝保護(hù)層和干玻璃布吸膠的工藝方法來控制復(fù)合材料零件的質(zhì)量及厚度，以滿足復(fù)合材料使用的必要性（質(zhì)量輕）及設(shè)計裝配要求。

2）該工藝方法具有良好的工藝穩(wěn)定性和可靠性，不會對復(fù)合材料制件的力學(xué)性能及其內(nèi)部質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。

3）對后續(xù)吸膠工藝提供了一套思路，對于不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料制件，應(yīng)當(dāng)針對性地設(shè)計吸膠工藝方案，才能更好地實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)產(chǎn)品厚度和質(zhì)量的目標(biāo)。

Abstract：In this paper, the bismaleimide-resin carbon fiber fabric prepreg was taken as the study object, and the capability of absorbing resin for different resin-impregnating materials and different process combinations was discussed by making the test specimens. Under ensuring the product performance, the resin-impregnating process of strippable protective layer and dry glass cloth was formulated. Moreover, this process was used to manufacture the typical parts and the obvious improvement was achieved in the field of quality control.

Study on application of high resin content prepreg

WU Bin-bin, YAN En-wei, WANG Ying
(AVIC Aircraft Co., Xi'an, Shanxi 710089, China)

high resin content prepreg; absorbing resin; quality control

TQ050.4+3

A

1001-5922（2017）06-0040-05

2017-02-23

武彬彬（1983-），男，工程師。目前主要從事復(fù)合材料制件的制造工作。E-mail：17623981@qq.com。