先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料固化過(guò)程的鋪放缺陷演變規(guī)律研究

李樹(shù)健 湛利華 周源琦 蒲永偉

（1 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201）

（2 中南大學(xué)機(jī)電學(xué)院，長(zhǎng)沙 410081）

（3 光啟技術(shù)股份有限公司，深圳 518000）

0 引言

先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空航天、兵工國(guó)防等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件的成形制造［1－5］。預(yù)制體的鋪放常采用預(yù)浸料鋪貼工藝在模具上進(jìn)行手工或自動(dòng)鋪放，然后根據(jù)工藝要求將預(yù)制體進(jìn)行封裝、抽真空，按設(shè)定工藝曲線進(jìn)行升溫固化［6－8］。在鋪放過(guò)程中，由于手工操作誤差或機(jī)器控制不當(dāng)易產(chǎn)生異物、氣泡、纖維劈裂、纖維皺曲等鋪放缺陷［9－11］。纖維皺曲是鋪放過(guò)程中一類常見(jiàn)的典型鋪放缺陷，一般由纖維架橋或真空袋不平整等原因?qū)е拢?2－13］。這些鋪放缺陷被帶入到后續(xù)固化階段，會(huì)隨其原始尺寸、形態(tài)以及固化工藝條件的不同，在固化過(guò)程中產(chǎn)生復(fù)雜的演變狀態(tài)。如果鋪放缺陷不能消除或弱化，易使構(gòu)件內(nèi)部最終形成固化缺陷，并嚴(yán)重影響構(gòu)件的力學(xué)性能和服役可靠性。

本文針對(duì)航空航天復(fù)合材料構(gòu)件常用的預(yù)浸料－熱壓罐成形工藝，以纖維皺曲為典型常見(jiàn)鋪放缺陷，研究復(fù)合材料在預(yù)浸料－熱壓罐成形工藝過(guò)程中鋪放缺陷的演變規(guī)律，并對(duì)其固化后成形質(zhì)量及力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析，為優(yōu)化先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成形工藝研究提供理論及實(shí)驗(yàn)研究依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料選擇及缺陷設(shè)置

實(shí)驗(yàn)材料為X850／T800單向預(yù)浸料，由Cytec公司生產(chǎn)，其纖維體積分?jǐn)?shù)為67.5%，單層預(yù)浸料厚度為0.188 mm。真空袋、脫模布、隔離膜和透氣氈等輔助材料全部由Airtech公司生產(chǎn)。

為研究固化過(guò)程中鋪放缺陷的演變規(guī)律，本文在鋪放過(guò)程中人為設(shè)置了一系列纖維皺曲缺陷。實(shí)驗(yàn)共分4組，每組采用3種不同長(zhǎng)度的預(yù)浸料（70、110、150 mm），寬15 mm，單向鋪層，共6層。所有復(fù)合材料試片均設(shè)置相同的人工缺陷來(lái)模擬鋪層中產(chǎn)生的纖維皺曲，保證皺曲程度一致，皺曲寬度均為β＝20 mm，其高度均為h＝5 mm，寬高比為4∶1，皺曲度示意如圖1所示。每組預(yù)浸料試片均用擋膠條限制住缺陷一側(cè)位移，缺陷中心與擋膠條的水平距離均為40 mm，如圖2所示。

圖1 皺曲缺陷尺寸Fig.1 Dimensions of wrinkling defects

圖2 缺陷布置示意圖Fig.2 Sketch map of defect arrangement

4組試片經(jīng)真空袋封裝后分別進(jìn)行熱壓罐固化，在室溫下抽真空，罐內(nèi)溫度加熱至180 min，升溫速率1.5℃ ／min，保溫 150 min，隨后以 1℃ ／min 的速度降溫，在熱壓罐運(yùn)行時(shí)開(kāi)始加壓，并在降溫至60℃時(shí)卸壓。由于固化過(guò)程中固化壓力對(duì)材料缺陷的影響從直觀上表征較為明顯，因此，實(shí)驗(yàn)采用 0.0、0.2、0.4、0.6 MPa壓力條件下來(lái)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)外觀檢查、超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)、金相顯微分析等手段，來(lái)研究預(yù)浸料鋪放缺陷形態(tài)在固化過(guò)程中的演變規(guī)律。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)

采用Olympus NDT公司推出的便攜式、模塊化相控陣設(shè)備（型號(hào)：Omni Scan MX2）進(jìn)行復(fù)合材料鋪放缺陷無(wú)損探傷。采用零度線性聚焦法則，聚焦深度為2 mm，將陣元數(shù)量設(shè)置為4，從第1個(gè)晶片開(kāi)始響應(yīng)到第64個(gè)結(jié)束，電子掃描步距為1，楔塊與復(fù)合材料層合板之間采用水作為耦合劑。在A掃描顯示中將閘門(mén)寬度設(shè)置在表面波和底波之間，編碼器設(shè)置分辨率為8.4步／mm。最后，通過(guò)編碼器將由閘門(mén)采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為C掃描圖像。

金相缺陷檢測(cè)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T3365—2008，將試樣進(jìn)行鑲嵌、磨平、拋光和超聲清洗后，利用光學(xué)數(shù)碼顯微鏡（型號(hào)：奧林巴斯DSX500）和自帶的金相圖像分析系統(tǒng)，進(jìn)行試樣微觀缺陷分析。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

分別對(duì)4組固化后的復(fù)合材料試片進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸強(qiáng)度及拉伸彈性模量測(cè)試按GB1447—2005規(guī)定，在CMT5105拉力試驗(yàn)機(jī)（珠海三思泰捷公司制造）上進(jìn)行測(cè)定。試片由夾具夾持固定后，夾頭以0.5 mm／min的速率開(kāi)始拉伸直至試片發(fā)生斷裂，記錄下此時(shí)的最大拉伸載荷，并根據(jù)式（1）、式（2）分別進(jìn)行拉伸強(qiáng)度及模量計(jì)算。

式中，F(xiàn)max為屈服載荷、破壞載荷或最大載荷，b為試樣寬度，d為試樣厚度。

式中，Et為拉伸彈性模量，Δp為載荷－變形曲線上初始線段的載荷增量。ΔL為與Δp對(duì)應(yīng)的標(biāo)距L內(nèi)的變形增量，L為測(cè)量標(biāo)距。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同固化壓力條件下的鋪放缺陷演變規(guī)律

圖3展示的是4組試片固化后的外觀形貌?？梢钥闯?，在每組試驗(yàn)中，原長(zhǎng)度為70 mm的試片，其表面質(zhì)量均優(yōu)于本組中其他長(zhǎng)度的復(fù)合材料試片。隨試片長(zhǎng)度增加，可以發(fā)現(xiàn)，110 mm試片的缺陷寬度和皺曲高度均小于150 mm的試片。此外，當(dāng)固化壓力分別0.4和0.6 MPa時(shí)，70 mm長(zhǎng)的試片固化后的表面相對(duì)較為平整，缺陷的改善效果較好。

為進(jìn)一步表征不同固化壓力條件下鋪放缺陷形態(tài)的演變，對(duì)各組實(shí)驗(yàn)試片固化前后長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量和記錄，考慮到在鋪放階段中纖維皺曲缺陷的產(chǎn)生，其纖維方向的長(zhǎng)度勢(shì)必減小。因此，本文采用纖維整體滑移量來(lái)表示試件固化前后長(zhǎng)度差，進(jìn)而可表征鋪放缺陷經(jīng)固化后的演變。纖維整體滑移量與固化壓力關(guān)系如圖4所示。

圖3 不同固化壓力下試片的外觀形貌Fig.3 Appearance of specimen under different curing pressure

圖4 纖維滑移量與固化壓力的關(guān)系Fig.4 Relationship between fiber slippage and curing pressure

從圖4可以明顯觀察到，70 mm長(zhǎng)的試片在固化后的纖維滑移量高于其他兩組，且在固化壓力0.4 MPa時(shí)達(dá)到最大。通過(guò)實(shí)際測(cè)量也發(fā)現(xiàn)，原長(zhǎng)為70 mm的試片在0.4 MPa壓力下固化后基本恢復(fù)到原長(zhǎng)，改善效果相對(duì)較好。下面結(jié)合超聲相控陣掃描結(jié)果和金相顯微分析，來(lái)進(jìn)一步研究鋪放缺陷的演變行為。

圖5給出了4組試片在不同固化壓力下的超聲B掃描圖片，可以看到，當(dāng)固化壓力低于0.2 MPa時(shí)，由于試片中氣泡無(wú)法完全排除而導(dǎo)致較多孔隙產(chǎn)生，且預(yù)浸料鋪層將存在嚴(yán)重分層，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致超聲波能量衰減而接收不到底波，從而使超聲B掃描圖像整條底波微弱甚至缺失。當(dāng)固化壓力高于0.2 MPa時(shí)，如0.4和0.6 MPa，70 mm長(zhǎng)的試片具有完整的底波，表明其皺曲缺陷在經(jīng)固化后得到有效弱化，成形質(zhì)量提高，而其他試片底波都存在不同程度的缺失。這是因?yàn)椋哼@些試片中的纖維皺曲缺陷的存在，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，超聲波在經(jīng)皺曲區(qū)域會(huì)發(fā)生不同程度的折射和散射，導(dǎo)致回波嚴(yán)重衰減或消失，從而探頭無(wú)法接收。同時(shí)可以看出，每組圖像中150 mm長(zhǎng)度試片底波的斷開(kāi)寬度（即皺曲缺陷區(qū)域在長(zhǎng)度方向上的寬度），均大于中等長(zhǎng)度（110 mm）的試片，這也與外觀形貌觀測(cè)及纖維整體滑移量的測(cè)量結(jié)果相一致。并且，隨試片長(zhǎng)度的增加，缺陷出現(xiàn)的程度（即皺曲區(qū)寬度的增加程度）也隨之增加。

圖5 不同固化壓力下的超聲B掃描圖Fig.5 Ultrasonic B－scan under different curing pressures

復(fù)合材料試片鋪放缺陷區(qū)域的顯微金相形貌如圖6所示。首先，從工藝壓力角度來(lái)看，以70 mm長(zhǎng)的試片為例，當(dāng)固化壓力較低時(shí)（如0和0.2 MPa），鋪放缺陷設(shè)定區(qū)域的皺曲缺陷在固化過(guò)程中的消除程度較小，纖維皺曲依舊明顯，且在預(yù)浸料層間出現(xiàn)一定的樹(shù)脂積聚現(xiàn)象，如圖6（a）（b）所示。這主要與固化壓力較小，致使固化階段前期樹(shù)脂流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力較弱，樹(shù)脂流動(dòng)性較差有關(guān)。當(dāng)固化壓力增加到0