基于縫合液體成型加筋壁板技術(shù)研究與應用

王松 閻超

[摘? ? 要]本文針對復合材料“帽型”、“J”型、“T”型的加強筋采用杜邦Kevlar29的縫合材料，面線為1200D、底線為600D，縫合密度（針距×行距）為6 mm×10 mm的技術(shù)參數(shù)進行縫合，使用RFI液體成型工藝固化該零件，最后對零件進行100%超聲檢測和力學性能試驗。檢測結(jié)果表明，縫合液體成型零件內(nèi)外部質(zhì)量滿足工藝文件要求，且斷裂韌性、沖擊損傷容限和搭接連接件的強度得到了明顯的提升，可應用于生產(chǎn)。

[關(guān)鍵詞]縫合;液壓成型;超聲檢測

[中圖分類號]V262 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）12–00–03

[Abstract]This article uses DuPont Kevlar29 suture material for composite material "hat-shaped"， "J"-shaped and "T"-shaped stiffeners. The upper thread is 1200D， the bottom thread is 600D， and the stitching density （stitch * row spacing） is The technical parameters of 6mm*10mm are stitched together， and the part is solidified using RFI liquid molding process. Finally， the part is subjected to 100% ultrasonic inspection and mechanical performance test. The test results show that the internal and external quality of the stitched liquid molded parts meets the requirements of the process documents， and the fracture toughness， impact damage tolerance and the strength of the lap joint have been significantly improved， which can be applied to production.

[Keywords]stitching;hydroforming;ultrasonic testing

由于復合材料具有比強度高、比剛度大、耐疲勞性和可設(shè)計性好等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)得到域廣泛應用[1-3]。復合材料縫合技術(shù)是針對傳統(tǒng)工藝方法不足而開發(fā)的一種全新技術(shù)。其原理是通過縫合手段，將復合材料在垂直于鋪層平面的方向得到增強，從而提高材料層間損傷容限，穿過增強織物厚度方面的縫線能夠極大改善復合材料的層間性能。

雖然縫合技術(shù)歷史悠久并且發(fā)展迅猛，但是應用在復合材料領(lǐng)域的時間較晚。復合材料縫合制備和研究于1980后，最先在美國、日本、澳大利亞以及歐洲一些發(fā)達國家開始的。

20世紀80年代末，美國宇航局最先開始實施先進復合材料技術(shù)研究（ACT計劃），主要針對降低復合材料制造成本、提高復合材料損傷容限、縫合工藝參數(shù)、蜂窩設(shè)備等問題進行了全面研究。相對而言，我國復合材料縫合技術(shù)發(fā)展較晚，本文主要針對國內(nèi)常用T300材料加筋壁板類零件進行縫合，采用液壓成型進行固化，最后通過力學性能及超聲檢測結(jié)果驗證縫合技術(shù)。

1 復合材料加筋壁板介紹

1.1 加筋壁板結(jié)構(gòu)以及原材料

制造“帽型”、“J”型、“T”型的加強筋，原材料采用我國自主研發(fā)生產(chǎn)的T300。

1.2 復合材料加筋壁板縫合技術(shù)優(yōu)勢

相對于三維紡織工藝，縫合復合材料的優(yōu)勢具有以下優(yōu)勢：①制作簡單;②可以沿用原有的層合板的研究成果;③縫線的纖維體積含量往往只占很小的比例，卻能顯著的提高層合板的斷裂韌性、沖擊損傷容限和搭接連接件的強度等;④縫合技術(shù)應用于復合材料液體成型工藝還可提高制件成型的整體化程度;⑤縫合技術(shù)也可用于縫制大型構(gòu)建，通過縫合技術(shù)可以解決無法一次編織成型的大型異型件。

1.3 主要技術(shù)指標

（1）外觀質(zhì)量：加筋壁板制件的表面應光滑平整，表面無貧、富樹脂，表面纖維被樹脂均勻覆蓋。

（2）內(nèi)部質(zhì)量：超聲檢測分層、脫粘和孔隙類等缺陷均符合HB7224二級驗收標準。

（3）厚度控制：理論厚度的±8%。

（4）外形公差：理論型面的-0.75～0 mm。

（5）斷裂韌性、沖擊損傷容限和搭接連接件的強度滿足相關(guān)材料技術(shù)規(guī)范。

2 復合材料加筋壁板縫合方案

2.1 帽型加強筋的設(shè)計

帽型加強筋的鋪層方式如圖1所示。根據(jù)冒型尺寸計算所需的織物尺寸為：310 mm×330 mm。根據(jù)織物的厚度以及所需復合材料厚度2 mm，設(shè)計鋪層數(shù)為5層。帽型縫合尺寸如圖2所示。

2.2 J型加強筋的設(shè)計

J型加強筋的鋪層方式為兩部分，200 ×330 mm，設(shè)計鋪層數(shù)為5層，分別將兩個5層合并后作為縱向筋中間部分縫合，然后底部等分各5層向兩側(cè)分開，準備縫合在底板上，根據(jù)要求的尺寸，計算得到J加強筋所需的織物尺寸如圖3所示。

2.3 T型加強筋的設(shè)計

根據(jù)模具圖紙，考慮加強筋與壁板縫合的尺寸，設(shè)計T型加強筋的鋪層方式為兩部分，T型梁縫合步驟為：裁布→平面鋪層→縱墻縫合→底面分開兩側(cè)→底面縫合?？v檣與底面的縫合分開進行，縱檣的縫合轉(zhuǎn)換成平面縫合，按設(shè)計的行距要求縫合幾條縫線，以固定形狀，然后將底部翻開形成T型，拐角處可填入增強纖維以防止出現(xiàn)富樹脂區(qū)，進行底面的縫合。在縫合底面時，底邊較寬，鎖式縫合直接用夾頭固定底面進行縫合;T型梁縫合如圖4所示。T加強筋所需的織物尺寸為：150 ×330 mm，設(shè)計鋪層數(shù)為5層，兩部分相同，T型縫合尺寸如圖5所示。

2.4 縫合示意圖

壁板需要容納縫合帽型、J型以及T型三種加強筋，尺寸為1 000×400 mm，碳纖維層數(shù)為6層。為了使冒型、J型以及T型三個加強筋的織物與模具更加貼合，防止出現(xiàn)架空情況，同時也便于縫合，需要對其進行加熱定型。具體操作：鋪層—封袋—抽真空—加熱—冷卻?？p合線材料要有較好的力學性能、良好的延伸性和耐磨性，同時材料的性能在復合材料固化成型時能保持穩(wěn)定。本實驗中壁板的縫線材料采用杜邦Kevlar29，面線1 200D，底線600D?？p合增強了復合材料的層間剪切強度，使層間損傷機理發(fā)生改變，由原來的基體剪切破壞變成縫線的剪切和拉伸破壞。在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上并結(jié)合本試驗的實際情況，設(shè)計最優(yōu)的縫合密度（針距×行距）為6 ×10 mm。

3 縫合液體成型加筋壁板的制備

3.1 制備過程

采用RFI液體成型工藝制備加筋壁板，纖維體積含量60%，厚度為1.2 mm，如圖6所示，基本流程如下。

（1）準備階段主要包括模具清理、縫合纖維預成型體和輔助材料（脫模布、導流網(wǎng)、密封膠、導流管等）的準備、按預成型體的形狀鋪設(shè)密封膠條、涂覆脫模劑等。

（2）鋪層和密封階段在模具上依次鋪設(shè)縫合纖維預成型體、脫模布、導流網(wǎng)、設(shè)置注膠和抽真空管道等，用真空袋將上述體系進行密封并抽真空，且需保證密閉模腔內(nèi)達到預定的真空度。

（3）注膠和固化階段將樹脂適當加熱并抽真空去除樹脂中的氣泡，加熱模具到60 ℃，將樹脂膠液（樹脂與固化劑按照一定質(zhì)量比）混合均勻并做抽氣泡處理，在真空負壓（-0.1 MPa）作用下將樹脂膠液灌注到密閉模腔，完全浸漬纖維預成型體，并在一定溫度下按照相應固化工藝成型。

（4）脫模和后處理階段脫模，得到縫合復合材料層合板。

3.2 固化參數(shù)及實物

加筋壁板采用RFI液體成型固化曲線如圖7所示。

4 檢測

4.1 內(nèi)部質(zhì)量檢測

縫合液體成型加筋壁板內(nèi)部質(zhì)量主要通過超聲檢測方式來實現(xiàn)，檢測設(shè)備為奧林巴斯MX2相共振，檢測探頭5 MHz（32晶片），檢測方式A掃描+B掃描。超聲檢測該零件內(nèi)部無脫粘、分層、夾雜、孔隙密集等缺陷，滿足工程技術(shù)要求。

4.2 力學性能及其他

通過RFI液體成型固化后的零件，經(jīng)過打磨等處理后，表面光滑平整，表面無貧、富樹脂，表面纖維被樹脂均勻覆蓋。零件的厚度控制以及外形公差等均滿足結(jié)果要求。通過液體成型固化后的零件，根據(jù)要求制作成合適的試樣的斷裂韌性、沖擊損傷容限和搭接連接件的強度相對于鋪貼成型的零件強度明顯得到提升。

5 結(jié)論

通過對復合材料T300制成的“帽型”、“J”型、“T”型加強筋采用杜邦Kevlar29的縫合材料，面線為1200D、底線為600D，縫合密度（針距×行距）為6mm×10mm的技術(shù)參數(shù)進行縫合，使用RFI液體成型工藝固化該零件，最后對零件進行100%超聲檢測和力學性能試驗，得到以下結(jié)論。

（1）縫合液體成型零件固化曲線滿足工程設(shè)計要求。

（2）縫合液體成型零件內(nèi)外部質(zhì)量滿足工藝文件要求。

（3）縫合液體成型零件的斷裂韌性、沖擊損傷容限和搭接連接件的強度得到了明顯的提升，可應用于生產(chǎn)。

參考文獻

[1] 羅明.碳纖維增強樹脂基復合材料孔隙率超聲無損檢測[D].大連：大連理工大學，2007.

[2] 牛春勻.實用飛機復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[3] 沈真.碳纖維復合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應用[J].高科技纖維與應用，2010，35（4）：2-4.