預(yù)浸料成型過程中的組裝方式對比研究

馬開維 李嘉 馬兆丹 張寶艷 王婷婷

摘 要：本文針對預(yù)浸料熱壓罐成型過程中的組裝方式進(jìn)行了研究，選用了四種常用的組裝方式，使用5428/T700雙馬樹脂預(yù)浸料、ZT7H/5429雙馬樹脂預(yù)浸料及ZT7G/LT-03A環(huán)氧樹脂預(yù)浸料分別按照四種工藝采用熱壓罐成型制備了12塊復(fù)合材料板材，分別使用外觀對比、厚度均勻性對比、力學(xué)性能對比及C掃無損檢測對比等多種方法對四種組裝工藝進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明使用PeelPlyB布的組裝方式獲得的復(fù)合材料表面質(zhì)量最好，厚度均勻性好，層間剪切強(qiáng)度優(yōu)異且離散型最小，C掃表明制件內(nèi)部缺陷少，適合于環(huán)氧及雙馬樹脂熱壓罐成型的組裝。

關(guān)鍵詞：熱壓罐成型；復(fù)合材料；組裝方式；性能對比

中圖分類號：TB322 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0084-05

0 引言

碳纖維復(fù)合材料因其質(zhì)輕、高強(qiáng)、高模、耐腐蝕等特點(diǎn)已經(jīng)在航空航天及武器裝備等軍用技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]，傳統(tǒng)的高性能復(fù)合材料為了保障其強(qiáng)度要求及孔隙率要求，大多采用熱壓罐成型工藝。熱壓罐成型的優(yōu)點(diǎn)是可制造各類復(fù)雜構(gòu)件，零件質(zhì)量優(yōu)異，成型精度高，制件厚度均勻。近些年，伴隨著國內(nèi)復(fù)合材料研發(fā)和應(yīng)用的不斷深入，復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能測試樣件的已逐步標(biāo)準(zhǔn)化，對于標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料試樣的制備方法也日趨完善[4-5]。在熱壓罐成型過程中，預(yù)浸料的組裝方式?jīng)Q定著復(fù)合材料的導(dǎo)氣方向、表面質(zhì)量等，好的組裝工藝獲得的復(fù)合材料力學(xué)性能更加優(yōu)異，離散型更小。其中，復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)是衡量復(fù)合材料的層間特性的重要試驗(yàn)方法，從一個(gè)應(yīng)用的角度反映了復(fù)合材料基體與增強(qiáng)材料之間的界面強(qiáng)弱，是一種質(zhì)量控制和材料鑒定的方法。本文結(jié)合目前常用的組裝工藝方法，從成型后制件的外觀對比、制件的厚度均勻性、成型后板材的層間剪切強(qiáng)度及C掃無損檢測結(jié)果等多個(gè)方面對四種復(fù)合材料的組裝方式進(jìn)行了對比研究分析。

1 原材料

實(shí)驗(yàn)中使用的原材料主要包括環(huán)氧樹脂預(yù)浸料、雙馬樹脂預(yù)浸料、玻璃布及相關(guān)輔料等，使用原材料信息見表1。5428/T700雙馬樹脂預(yù)浸料使用的纖維為日本東麗的T700碳纖維（干法制備），ZT7H/5429雙馬樹脂預(yù)浸料使用的纖維為中簡科技生產(chǎn)的T700級碳纖維（濕法制備），ZT7G/LT-03A環(huán)氧樹脂預(yù)浸料使用的纖維為中簡科技生產(chǎn)的T700級碳纖維（濕法制備），預(yù)浸料由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司制備。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 組裝工藝

針對復(fù)合材料在成型過程中，樹脂在一定溫度和壓力下呈現(xiàn)流動(dòng)擠出狀態(tài)，需要在制件的表面形成良好的導(dǎo)氣及流動(dòng)通路，方便多余樹脂及氣泡排出。傳統(tǒng)復(fù)合材料組裝工藝在制件上表面使用脫模布及含孔模板，但因脫模布本身不具備吸附樹脂的特性，多余樹脂只能通過模板孔隙流出，制件往往存在出膠不均勻的現(xiàn)象。

為了更好的改進(jìn)優(yōu)化復(fù)合材料的組裝成型工藝，結(jié)合目前國內(nèi)外常用的導(dǎo)氣工藝制度，分別使用如下圖1中a～d所示的四種組裝工藝組裝預(yù)浸料疊層塊，對四種工藝進(jìn)行對比與評價(jià)[6-8]。

a組裝方式采用傳統(tǒng)組裝工藝，組裝方式為鋼制底模板/無孔隔離膜/脫膜布/坯料/脫膜布/有孔隔離膜/有孔鋼制上模板，通過樹脂向上流動(dòng)滲透從有孔模板流出，達(dá)到導(dǎo)氣的作用，其中有孔鋼制上模板分布有直徑1.5mm的小孔，孔間距為100mm；b組裝工藝將有孔鋼制上模板改成無孔鋁模板，鋁模板下方為無孔隔離膜，完全阻隔復(fù)合材料導(dǎo)氣通路，作為對比實(shí)驗(yàn)；c組裝工藝將上模板去掉，改為鋼制底模板/無孔隔離膜/脫膜布/坯料/脫膜布/兩層EW100A玻璃布 /無孔隔離膜，使用兩層EW100A玻璃布實(shí)現(xiàn)樹脂的吸膠和導(dǎo)氣，同時(shí)玻璃布連接至透氣氈，行程完整的導(dǎo)氣通路；d組裝工藝較c組裝工藝有所不同，將脫膜布替換為PeelPlyB布，其它不變，組裝方式為鋼制底模板/無孔隔離膜/PeelPlyB布/坯料/PeelPlyB布/兩層EW100A玻璃布/無孔隔離膜。PeelPlyB布為一種兼具導(dǎo)氣和吸膠功能的織物，同時(shí)PeelPlyB布的使用可以保證均勻的復(fù)合材料表面質(zhì)量，便于后續(xù)的打磨和粘接工序。

2.2 固化工藝

為了更好的驗(yàn)證不同組裝方式對不同類型的樹脂、纖維是否存在一致性，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三種不同類型的預(yù)浸料，分別為5428/T700雙馬樹脂預(yù)浸料、ZT7H/5429雙馬樹脂預(yù)浸料及ZT7G/LT-03A環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，三種材料中包含了環(huán)氧樹脂體系及雙馬樹脂體系，在纖維上包含了進(jìn)口干法制備的碳纖維和國產(chǎn)濕法制備的碳纖維。預(yù)浸料的固化工藝制度如下：

5428/T700雙馬樹脂預(yù)浸料的熱壓罐成型制度為：室溫下抽真空，真空不小于0.095MPa；以0.5℃/min～2℃/min的速率升溫至110℃～145℃，加壓0.6MPa～0.7MPa；繼續(xù)升溫至150℃±5℃，保溫1.0h～1.5h；繼續(xù)升溫至180℃±5℃，保溫2h；保持壓力，繼續(xù)升溫至205℃±5℃，保溫4h～5h后以不大于2.0℃/min的速度冷卻（或在熱壓罐中自然冷卻）到60℃以下出罐。

ZT7H/5429雙馬樹脂預(yù)浸料的熱壓罐成型制度為：室溫下抽真空，真空不小于0.095MPa；以不高于3℃/min的速率升溫至100℃～150℃，加壓0.6MPa～0.7MPa；繼續(xù)升溫至150℃±5℃，保溫1.0h～1.5h；繼續(xù)升溫至180℃±5℃，保溫2h；保持壓力，繼續(xù)升溫至200℃±5℃，保溫4h～5h后自然冷卻到60℃以下出罐。

ZT7G/LT-03A環(huán)氧樹脂預(yù)浸料的熱壓罐成型制度為：室溫下抽真空，真空不小于0.095MPa；以不高于1.5℃/min的速率升溫至60～90℃加壓0.4～0.6MPa，繼續(xù)升溫至125℃～140℃，保溫2h～3h后，以不大于2.0℃/min的速度冷卻（或在熱壓罐中自然冷卻）到60℃以下出罐。

選用5428/T700、ZT7H/5429、ZT7G/LT-03A三種不同的預(yù)浸料分別壓制層合板，測試預(yù)浸料性能的層板采用16層單向鋪層，板材理論厚度為2mm，分別通過四種不同的組合方式進(jìn)行組裝進(jìn)罐固化。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 外觀及制件厚度

固化后板材的外觀質(zhì)量和制件的厚度均勻性反映了樹脂出膠的方向及均勻性，采用目視方法檢查了固化成型后的層合板外觀平整度和表面有缺陷，并使用游標(biāo)卡尺對所得到的試驗(yàn)件進(jìn)行厚度測量。

固化成型后的三種復(fù)合材料四種組合方式所得到的十二塊層合板如圖2。使用四種工藝制備的試板表面均無可見缺陷，表面均勻平整，其中工藝（d）組裝方式因?yàn)槭褂昧薖eelPlyB布代替?zhèn)鹘y(tǒng)脫膜布，制件表面呈磨砂狀，外觀更加平整均勻。

使用游標(biāo)卡尺測量各板材的厚度，5428/T700樣板厚度、ZT7H/5429樣板厚度及ZT7G/LT-03A樣板厚度分別如表2～表4，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，采用（c）和（d）組合工藝所得到的層合板厚度更薄，同時(shí)厚度的均勻性更好，離散性更低。從理論上分析，由于EW100A具有吸膠特性，能夠吸取預(yù)浸料內(nèi)的多余樹脂，同時(shí)，玻璃布面密度均勻，比較單純開孔流膠的方式，具備更加優(yōu)異的流膠均勻性。各種工藝的厚度及均勻性對比圖如圖3。

3.2 力學(xué)性能對比

經(jīng)固化成型后的5428/T700樣板、ZT7H/5429樣板及ZT7G/LT-03A樣板按照標(biāo)準(zhǔn)JC/T773-2010裁剪成層間剪切測試試驗(yàn)件，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行層間剪切強(qiáng)度測試，測試環(huán)境溫度為23℃，環(huán)境濕度為50%RH。測試結(jié)果如表5～表7，層間剪切強(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)每組的有效試樣為6個(gè)，取其平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。通過對比發(fā)現(xiàn)，對于三種材料體系，工藝（a）制備的樣件測試的層間剪切強(qiáng)度離散性最大，工藝（d）制備的樣件測試的層間剪切強(qiáng)度離散性最小，使用工藝（c）和工藝（d）制備的樣件測試的層間剪切強(qiáng)度要大于使用前兩種工藝制備的試驗(yàn)件強(qiáng)度。不同組裝工藝的板材層間剪切強(qiáng)度如圖4。從理論上分析，層壓板的層間剪切強(qiáng)度一方面反映的是樹脂與纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)能夠準(zhǔn)確的體現(xiàn)出材料在制備過程中的層間孔隙率，層間孔隙越多，材料的層間剪切強(qiáng)度越低。對比5428/T700和ZT7H/5429材料的層間剪切強(qiáng)度，因日本東麗T700纖維表面光滑，國產(chǎn)ZT7H碳纖維因?yàn)槔w維表面呈現(xiàn)溝壑狀，因此ZT7H/5429復(fù)合材料層間強(qiáng)度更高。工藝（c）和工藝（d）制備的復(fù)合材料板材因?yàn)椴ＡР己蚉eelPly布的使用，復(fù)合材料表面形成了更好的導(dǎo)氣通路，氣體更便于排出，復(fù)合材料Z向的缺陷更少，因厚度方向?qū)獾穆烦谈佑欣谥苽涞涂紫堵屎腿毕莸膹?fù)合材料制品，材料的層間性能也更加優(yōu)異。同時(shí)由于（a）工藝和（b）工藝復(fù)合材料導(dǎo)氣通路受到方向性和出膠孔位置的限制，復(fù)合材料的質(zhì)量均勻性較差，因此復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的離散型更大。工藝（d）PeelPly布具有更好的吸膠性和導(dǎo)氣性，整體離散型最小。

3.3 無損檢測結(jié)果對比

對所得到的12塊層合板分別進(jìn)行超聲C掃描無損檢測，圖5～7分別為經(jīng)固化成型后的5428/T700樣板、ZT7H/5429樣板及ZT7G/LT-03A樣板超聲C掃描圖像，圖像中白色及紅色區(qū)域?yàn)閮?nèi)部無缺陷區(qū)域，顏色越淺內(nèi)部質(zhì)量越好，藍(lán)色及綠色區(qū)域?yàn)槿毕輩^(qū)域，顏色越深表示內(nèi)部缺陷約嚴(yán)重。從圖表中可以清晰發(fā)現(xiàn)，四種固化組裝工藝制備的板材內(nèi)部質(zhì)量均良好，沒有明顯的內(nèi)部缺陷。其中，使用組裝方式（d）制備的板材內(nèi)部質(zhì)量最好，其余三種組裝工藝制備的板材均勻性較好。

4 結(jié)語

本文針對復(fù)合材料熱壓罐成型的組裝方式進(jìn)行了研究，選用了四種常用的組裝方式，使用5428/T700雙馬樹脂預(yù)浸料、ZT7H/5429雙馬樹脂預(yù)浸料及ZT7G/LT-03A環(huán)氧樹脂預(yù)浸料分別按照四種工藝采用熱壓罐成型制備了12塊復(fù)合材料板材，分別使用外觀對比、厚度均勻性對比、力學(xué)性能對比及C掃無損檢測對比等多種方法對四種組裝工藝進(jìn)行了對比分析，形成結(jié)論如下：

（1）采用（c）玻璃布導(dǎo)氣工藝和（d）PeelPlyB布工藝組合工藝所得到的層合板厚度更薄，同時(shí)厚度的均勻性更好，離散性更低。同時(shí)使用（d）工藝制備的復(fù)合材料板材表面呈現(xiàn)磨砂狀態(tài)，便于后續(xù)的打磨和粘接。（2）通過對比發(fā)現(xiàn)，對于三種材料體系，工藝（a）制備的樣件測試的層間剪切強(qiáng)度離散性最大，工藝（d）制備的樣件測試的層間剪切強(qiáng)度離散性最小，使用工藝（c）和工藝（d）制備的樣件測試的層間剪切強(qiáng)度要大于使用前兩種工藝制備的試驗(yàn)件強(qiáng)度。（3）從超聲C掃描無損檢測看，使用組裝方式（d）制備的板材內(nèi)部質(zhì)量最好，其余三種組裝工藝制備的板材均勻性較好。

總上述，為了保證制備的復(fù)合材料板材具備優(yōu)異的力學(xué)性能，便于獲取最真實(shí)的復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)，建議使用（d）組裝工藝，即：鋼制底模板/無孔隔離膜/PeelPlyB布/坯料/PeelPlyB布/兩層EW100A玻璃布/無孔隔離膜。

參考文獻(xiàn)

[1] 益小蘇.先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究與發(fā)展[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006：146-174.

[2] 陳祥寶.低成本復(fù)合材料技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：30-65.

[3] ACKSON K，CRABTREE M. Autoclave quality composites tooling for composite from vacuum bag only processing[C].47th International SAMPE Symposium， Long Beach： DEStech Publications， Inc.，2002，47：800-807.

[4] 陳祥寶，張寶艷.低溫固化高性能復(fù)合材料技術(shù)[J].材料工程，2011（1）：1-6.

[5] 陳祥寶，張寶艷.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國材料進(jìn)展，2009，28（6）：2-12.

[6] Shraddha Jagatap， Sayed A. Nassar， Abbas Razavykia， Belingardi Giovanni. Process variable effect on the strength of autoclave-bonded film adhesive joints[J].Journal of Adhesion Science and Technology，2019（1），715-735.

[7] XU G F， REPEKA L， BOYD J. Cycom X5215-an epoxy prepreg that cures void free out of autoclave at low temperature[C].43th International SAMPE Symposium， Long Beach： DEStech Publications， Inc.，1998，43：9-19.

[8] ZHANG BAOYAN， LI BINTAI， CHEN XIANGBAO. Investigation on a Novel Low Temperature/Vacuum Bag Cure Prepreg[J].Materials Science Forum Vols，2007，1：546-549.