通用航空領(lǐng)域復(fù)合材料制備工藝的研究

陳冠旭 趙立杰 李淑萍 王飛 王金濤 岳沖

摘? 要：通用航空器中纖維樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用比率越來越高，伴隨而來的是有關(guān)復(fù)合材料構(gòu)件使用后期的損傷類型及相應(yīng)維修難題。通用航空器復(fù)合材料維修后的適航驗(yàn)證與審定是保證維修符合性與有效性的關(guān)鍵，同樣是保持與恢復(fù)航空器固有安全性與可靠性的必要鑒定，因此本文對(duì)比理論行業(yè)方向與我國在通航復(fù)合材料領(lǐng)域的技術(shù)水平狀況、工程應(yīng)用積累、成果作品形式等方面，研究分析了現(xiàn)階段通航領(lǐng)域有關(guān)于復(fù)合材料工藝制備常用手段的相關(guān)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：模壓成型? 熱壓罐? 通用航空? 制作缺陷? 適航? ABAQUS

中圖分類號(hào)：V258? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（b）-0008-03

Abstract： The usage ratio of fiber resin composite structure in general aircraft is getting higher， which is accompanied by the damage types and corresponding maintenance problems in the later use of composite components. Airworthiness verification and certification after the maintenance of general aircraft composite materials is the key to ensure the conformity and effectiveness of maintenance， as well as the necessary identification to maintain and restore the inherent safety and reliability of aircraft. Therefore， this paper compares the theoretical industry direction with China's technical level， engineering application accumulation， product form， etc. in the field of aviation composite materials. The basic theory and key technology of composite technology in the field of navigation are analyzed.

Key Words： Compression molding; Autoclave; General aviation; Manufacturing defects; Airworthiness; ABAQUS

1? 常見模壓成型分析

1.1 溫度及纖維體積分?jǐn)?shù)

復(fù)合材料在溫度作用下，流動(dòng)性以及粘度發(fā)生變化。溫度使得聚合物松弛和交聯(lián)反應(yīng)變得復(fù)雜。成型中控制溫度來縮短固化時(shí)間、提高固化速度，進(jìn)而改變內(nèi)外層固化速率的差距，常常外層比內(nèi)層固化更快導(dǎo)致內(nèi)層的揮發(fā)物處理困難，產(chǎn)品往往因此產(chǎn)生缺陷和變形，相應(yīng)的物理、力學(xué)性能也因此降低。

纖維的體積分?jǐn)?shù)過高會(huì)阻礙樹脂基體的流動(dòng)性。根據(jù)成型需求使用纖維含量較高的復(fù)材預(yù)浸料按目標(biāo)力學(xué)結(jié)構(gòu)等特性進(jìn)行優(yōu)化體積分?jǐn)?shù)及流動(dòng)性。

1.2 模壓壓力

復(fù)合材料預(yù)浸料的種類、形狀及狀態(tài)影響壓力大小，模壓壓力加快預(yù)浸料制備過程中的流動(dòng)性，模壓過程中通過壓力使模具閉合起到預(yù)防變形、規(guī)范產(chǎn)品尺寸等作用，同時(shí)預(yù)防出現(xiàn)貧膠、分層、孔隙等現(xiàn)象。壓力和溫度在產(chǎn)品成型中相互影響，預(yù)浸料的流動(dòng)性可通過提高成型溫度來改善，并依照預(yù)期目的在合適的時(shí)刻調(diào)整成型壓力。

1.3 模壓時(shí)間及揮發(fā)物

產(chǎn)品固化所需時(shí)間太短往往導(dǎo)致產(chǎn)品固化不完全，出現(xiàn)變形、表現(xiàn)粗糙、相應(yīng)性能降低等現(xiàn)象。通過調(diào)整固化過程的時(shí)間即模壓時(shí)間可以有效改善上述現(xiàn)象。固化所需時(shí)間太長會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力增加、交聯(lián)過度等現(xiàn)象，可以適當(dāng)調(diào)整選擇合適的模壓固化時(shí)間。

揮發(fā)物的含量高低影響產(chǎn)品流動(dòng)性，揮發(fā)物含量過低影響預(yù)浸料流動(dòng)性變小導(dǎo)致產(chǎn)品成型困難;揮發(fā)物含量過高影響預(yù)浸料流動(dòng)性變大導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生氣泡、粗糙度、樹脂基體流失等現(xiàn)象，固化過程中需要考量多方面因素。

2? 常見氣壓成型分析及其比較

2.1 熱壓罐成型及真空袋工藝

對(duì)同種復(fù)合材料備料施以兩種通用航空領(lǐng)域常見的制作工藝。

（1）真空袋工藝：準(zhǔn)備好相應(yīng)設(shè)備，處理預(yù)浸料抽真空并放入調(diào)整好的固化爐，待溫度升至所設(shè)定的120度。后，保溫曲線2h待冷卻至室溫后取出所需產(chǎn)品。

（2）熱壓罐工藝：處理好前期半成品送入熱壓罐，升壓升溫至400kPa、80℃，保溫保壓0.5h后，自動(dòng)升溫至125℃，保溫保壓1h，待冷卻至60℃降壓取出產(chǎn)品。

2.2 以熱壓罐為例進(jìn)行模擬分析

復(fù)合材料的熱壓罐固化成型工藝的過程十分復(fù)雜，影響最終構(gòu)件成型結(jié)果的因素很多。復(fù)合材料層合板在熱壓罐固化過程中由于溫差導(dǎo)致熱應(yīng)力和固化殘余應(yīng)力，從而產(chǎn)生變形，使得成型結(jié)果不能達(dá)到預(yù)期，達(dá)不到生產(chǎn)要求。

運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)復(fù)合材料層合板進(jìn)行了有限元分析，對(duì)固化過程中復(fù)合材料層合板的溫度分布、應(yīng)力分布以及變形等進(jìn)行了有限元仿真，得出各因素對(duì)固化效果的影響。

模擬假設(shè)某種材料從室溫開始，以1.5K/min的升溫速率上升到390K，保溫60min，再上升到450K，保溫125min，最后冷卻至室溫，固化過程中，施加壓強(qiáng)0.6MPa。

隨著升溫速率的提高，熱量大量積累，層合板內(nèi)部溫度場的均勻性下降，使保溫時(shí)間中部分用于平衡復(fù)合材料層合板內(nèi)外溫度，固化效率降低。而升溫速率下降，雖可以控制復(fù)合材料層合板溫度場的均勻性，但延長熱壓罐的使用時(shí)間，使生產(chǎn)成本變高。

由于復(fù)合材料的自反應(yīng)放熱，厚板內(nèi)部積累的熱量多，溫度反而更高，所以固化速率會(huì)更快，比相對(duì)較薄的層合板先完成固化成型。

故模擬層合板的固化工藝為從室溫開始，以1.5K/min的升溫速率上升到390K，保溫60min，再上升到450K，保溫125min，最后冷卻至室溫，固化過程中，施加壓強(qiáng)0.6MPa。

2.3 氣壓成型復(fù)合材料沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

經(jīng)查證計(jì)算及論證在相同位移下的沖擊階段，復(fù)材制件的不同工藝會(huì)影響相應(yīng)的沖擊吸收、沖擊接觸力、瞬間速度。熱壓罐工藝相較于真空袋工藝所制得的產(chǎn)品上述沖擊吸收能力更高、沖擊接觸力更大、沖擊瞬間速度更小;相同時(shí)間下的沖擊階段，熱壓罐工藝相較于真空袋工藝所制得產(chǎn)品的沖頭位移更小。熱壓罐工藝在產(chǎn)品制備過程中處于高壓狀態(tài)，因此往往導(dǎo)致產(chǎn)品剛性強(qiáng)、纖維體積含量高。

3? 成型工藝對(duì)于復(fù)合材料所可能造成的影響

3.1 成型工藝對(duì)復(fù)合材料影響的來源與意義

復(fù)合材料在制備及加工過程中均較容易產(chǎn)生各種缺陷，影響構(gòu)件最終的加工質(zhì)量及使用性能。在常見制造缺陷中，不采用特殊的縫紉一類的措施時(shí)，制造缺陷所引起的破壞是致命的，它會(huì)影響結(jié)構(gòu)的承載力，甚至在嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效。而引起制作缺陷的因素較多，幾乎每道工序環(huán)節(jié)都會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能，而這種性能的缺陷最終會(huì)影響到復(fù)合材料的質(zhì)量。經(jīng)過課題的研究，找到復(fù)材制件受成型工藝影響所出現(xiàn)缺陷的主要原因，匯總出制作缺陷與影響因素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而解釋復(fù)合材料工藝制作缺陷與制作每一環(huán)節(jié)的關(guān)系。促進(jìn)通用航空領(lǐng)域復(fù)合材料用量與應(yīng)用水平的發(fā)展，并通過對(duì)制作缺陷影響規(guī)律的總結(jié)，體現(xiàn)出成型工藝復(fù)合材料制作缺陷起到的重要作用。

3.2 成型工藝對(duì)復(fù)合材料的損害

3.2.1 理論分析

（1）從理論上來分析，在材料纖維層固化過程中，隨著固化溫度的升高，樹脂分子的活力增加，分子之間的交聯(lián)反應(yīng)速度增大。當(dāng)固化溫度較高時(shí)，在有限的固化時(shí)間內(nèi)，參加反應(yīng)的官能團(tuán)較多，反應(yīng)生成的分子鏈較大，最終固化物的交聯(lián)密度亦較大。國外學(xué)者的研究同樣表明工藝溫度較高時(shí)，樹脂經(jīng)固化后韌性及彈性模量均增大，纖維與樹脂之間的界面抗剪強(qiáng)度較高，從而有利于得到較理想的加工質(zhì)量。從理論上來看最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明樹脂的固化溫度對(duì)其力學(xué)性能有很大影響。不同的常見成型工藝影響因素很多，例如固化溫度通過對(duì)樹脂力學(xué)性能的影響，進(jìn)一步影響加工質(zhì)量。

（2）在對(duì)加工好的工件進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候同樣需要注意相同的溫度下，由于復(fù)合材料具有各向異性，復(fù)合材料在不同方向上的彎曲剛度同樣具有較大差異。不同的復(fù)材制作缺陷出現(xiàn)的尺寸會(huì)存在一定差異。國外學(xué)者的研究同樣表明單向碳纖維復(fù)合材料中不同方向出現(xiàn)缺陷不同。因此需要分別對(duì)單層以及疊層不同的工件做對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證成型工藝的影響結(jié)果以驗(yàn)證結(jié)論的普遍性。

3.2.2 實(shí)際分析

（1）基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)意義下復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，分析總結(jié)并表征出部分與復(fù)材制造缺陷密切關(guān)聯(lián)的復(fù)材結(jié)構(gòu)幾何要素，通過對(duì)結(jié)果中產(chǎn)生的制作缺陷圖像統(tǒng)計(jì)分析和總結(jié)，探索出相應(yīng)復(fù)材制作缺陷和幾何要素的關(guān)聯(lián)規(guī)律，并分析推測(cè)相應(yīng)制作缺陷的產(chǎn)生機(jī)制。

（2）復(fù)合材料的成型工藝往往具備一定壓力和加熱條件，成型過程通常是復(fù)雜且難以直接觀察的，復(fù)合材料成型過程本身涉及到樹脂流動(dòng)、熱量傳遞、氣泡的形成與遷移等多種混合變化及相應(yīng)物化反應(yīng)。不同種類復(fù)合材料的物理和化學(xué)特性不同，致使相應(yīng)成型固化過程有明顯差異。后續(xù)試驗(yàn)中這些因素與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、模具方案等要素混合在一起。這使得工藝質(zhì)量的控制成為了非常棘手的問題。需要在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候保證對(duì)于試驗(yàn)成型固化條件的絕對(duì)準(zhǔn)確，并且需要試驗(yàn)不同的工藝手法，以總結(jié)試驗(yàn)手法與制作缺陷之間的大致關(guān)系。

（3）不同制作工藝對(duì)缺陷的影響需要詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì);固化工藝所體現(xiàn)出的缺陷可能是已固化制件中的原有缺陷，也可能是未固化制件經(jīng)共固化工藝后產(chǎn)生的，而制作缺陷除上述原因外還可能是原有缺陷在經(jīng)歷二次熱壓成型后發(fā)生擴(kuò)展，可見制作缺陷產(chǎn)生機(jī)制的復(fù)雜性;工藝的制作缺陷也需要詳細(xì)記錄然后與其他的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，而又由于部分工藝采用的主要是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，在該類制件中為保證板芯質(zhì)量，需要在成型工藝中多加注意以防造成額外的制作缺陷。

3.3 成型工藝對(duì)復(fù)合材料造成影響的結(jié)果意義

（1）成型工藝對(duì)于復(fù)合材料的影響往往是多種因素參雜在一起，為研究結(jié)構(gòu)形式與制造缺陷的關(guān)聯(lián)規(guī)律，通常將結(jié)構(gòu)形式相應(yīng)轉(zhuǎn)化為幾何要素，將問題簡化為重點(diǎn)研究幾何要素與制造缺陷的關(guān)聯(lián)性，使得結(jié)論在最終宏觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果上具有普遍意義，以此為目的利用幾何要素作為紐帶將結(jié)構(gòu)形式與制造缺陷之間建立起聯(lián)系，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出制作缺陷的產(chǎn)生規(guī)律，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

（2）規(guī)定制造缺陷可控性的關(guān)聯(lián)規(guī)律。復(fù)合材料制作缺陷種類多樣，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)論將不同成型工藝所形成的制作缺陷通過統(tǒng)計(jì)手段進(jìn)行排序整理，將最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行可量化的、可視化處理，使得最終分析總結(jié)的影響因素更加直觀有效。

（3）在滿足材料構(gòu)件力學(xué)及使用性能的基礎(chǔ)上，研究不同成型工藝對(duì)預(yù)浸料固化溫度后加工的影響。利用該方法，預(yù)計(jì)不同工藝對(duì)不同溫度固化和不同方式鋪設(shè)的樣件處理后的實(shí)驗(yàn)品進(jìn)行破壞實(shí)驗(yàn)，模擬分析材料。通過改變預(yù)浸料固化壓力和溫度模擬復(fù)合材料制造缺陷的方法，并對(duì)不同溫度與壓力固化和不同鋪層方式鋪設(shè)的樣件進(jìn)行比對(duì)，分析材料剛度與實(shí)際制作缺陷。得出不同的成型工藝對(duì)于復(fù)合材料不同構(gòu)成要素在過程中所造成的影響因素，并對(duì)整體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究與分析得出實(shí)驗(yàn)性結(jié)論。

（4）模壓與氣壓成型實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

①對(duì)于模壓成型均是以模壓機(jī)等設(shè)備依據(jù)以上影響因素進(jìn)行成型為主，因此其產(chǎn)品性能直接受工藝因素影響。

②對(duì)于同一種假定的板材數(shù)據(jù)而言，兩種氣壓工藝對(duì)碳纖維復(fù)合材料制備的工藝研究設(shè)計(jì)提供了部分依據(jù)結(jié)合理論經(jīng)驗(yàn)結(jié)論如下：

復(fù)材制件的纖維體積含量受制備工藝影響，熱壓罐工藝相較于真空袋工藝所制得產(chǎn)品纖維體積含量更高。

復(fù)材制備的板材因不同工藝對(duì)沖擊響應(yīng)不同。熱壓罐工藝制備的預(yù)浸料板材最大沖擊力相較于真空袋工藝更大，沖擊時(shí)間更短，使得其板材制件纖維體積含量、剛性均較高于真空袋成型。

復(fù)材制備的板材因使用工藝不同對(duì)于吸收沖擊能量的性能各有所不同，熱壓罐成型工藝相較于真空袋成型工藝對(duì)沖擊能量吸收率更低，源自熱壓罐工藝相較于真空袋工藝所制得產(chǎn)品的纖維含量更高，產(chǎn)品韌性相較于真空袋工藝更低。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊文鋒.通用航空復(fù)合材料維修及適航驗(yàn)證的進(jìn)展及探討[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2014（242）：97-101.

[2] 于天淼.碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成型工藝的研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2018，46（342）：142-147.

[3] 熊風(fēng).不同工藝復(fù)合材料層合板沖擊性能研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2018（363）：6-8.

[4] 伍文艷，劉強(qiáng)，吳良軍.不同工藝碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2017（285）：24-29.

[5] 沃西源，薛芳，李靜.復(fù)合材料模壓成型的工藝特性和影響因素分析[J].高科技纖維與應(yīng)用，2009，34（334）：48-51.

[6] 韓笑，碳纖維復(fù)合材料在通用航空器上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015（333）：11-14.

[7] 黃光啟，楊勝春.制造缺陷對(duì)復(fù)合材料性能的影響研究[J].工程與試驗(yàn)，2020，60（276）：41-44.

[8] 陳棟康康.CFRP材料孔隙缺陷特征分布理論與實(shí)驗(yàn)研究[C].哈爾濱工業(yè)大學(xué)報(bào)，2015.

[9] Shengbo Shi，Liangxian Gu，Jun Liang，et al A mesomechanical model for predicting the degradation in stiffness of FRP composites subjected to combined thermal and mechanical loading[J].Materials & Design，2016（89）：1079-1085.

[10] Zhenchao Qi，Yong Liu，Wenliang Chen.An approach to predict the mechanical properties of CFRP based on cross-scale simulation[J].Composite Structures，2018.

[11] Elham Shahabi，Mohammad Reza Forouzan.A damage mechanics based failure criterion for fiber reinforced polymers[J].Composites Science and Technology，2017（140）：23-29.

[12] Jinyang Xu，Chao Li，Sipei Mi，et al .Study of drilling-induced defects for CFRP composites using new criteria[J].Composite Structures，2018（201）：1076-1087.