大尺寸整流罩夾層結(jié)構(gòu)工藝性研究

摘 要：本文采用共固化和共膠接成型工藝方法制造蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，對試驗(yàn)件的鋪貼丟層、蜂窩斜削、蜂窩拼接、固化成型的質(zhì)量控制及精度控制等技術(shù)進(jìn)行研究。對兩種成型工藝試驗(yàn)件的內(nèi)、外部質(zhì)量及其物理性能和力學(xué)性能進(jìn)行檢測與分析，結(jié)果表面采用共膠接成型工藝制造的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的質(zhì)量和性能更優(yōu)，此工藝更適合制造大尺寸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)材件，對相似產(chǎn)品成型具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：蜂窩夾層；復(fù)合材料；成型工藝

中圖分類號：V 22" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、高比剛度、耐疲勞及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各種航空航天結(jié)構(gòu)中[1]。目前，隨著航空航天領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，對大尺寸曲面夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件的工藝性能及質(zhì)量要求也越來越高，因此對大尺寸曲面整流罩蜂窩夾層結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。本研究對比不同工藝方法下的制備工藝及物理、力學(xué)性能，并探討其優(yōu)缺點(diǎn)，為相關(guān)領(lǐng)域的工程實(shí)踐提供參考。

1 研究目的

本文針對大尺寸整流罩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)材件成型中涉及的蜂窩夾層典型結(jié)構(gòu)的鋪貼丟層、蜂窩斜削、蜂窩拼接、夾層結(jié)構(gòu)固化成型的質(zhì)量控制及精度控制等技術(shù)進(jìn)行研究。采用共固化和共膠接工藝方法制造蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，并對兩種工藝成型后試驗(yàn)件的外部、內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查，并切割樣片進(jìn)行相關(guān)性能測試。分析不同工藝方法成型質(zhì)量差異，確定整流罩夾層結(jié)構(gòu)最優(yōu)成型工藝方案，為生產(chǎn)實(shí)踐提供工藝路徑及指導(dǎo)依據(jù)。

2 研究內(nèi)容

整流罩夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，內(nèi)容包括材料選用、成型工藝方法、成型制造流程以及不同工藝方法下蜂窩夾層試驗(yàn)件的內(nèi)、外部質(zhì)量及相應(yīng)力學(xué)性能對比研究。通過收集和分析測試數(shù)據(jù)，探討不同工藝方法對整流罩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)材件性能的影響，為生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)依據(jù)。試驗(yàn)件測試內(nèi)容如下。1）面板：無損檢測、孔隙率、纖維體積百分含量。2）蜂窩：蜂窩斜削質(zhì)量、拼接質(zhì)量。3）夾層結(jié)構(gòu)：面板與蜂窩粘接質(zhì)量、厚度尺寸、平面尺寸、密度。4）力學(xué)測試：滾筒剝離強(qiáng)度、側(cè)壓強(qiáng)度。5）物理性能測試：孔隙率、纖維體積含量。

3 研究方法與技術(shù)路線

本研究將采用試驗(yàn)件生產(chǎn)制造和數(shù)據(jù)對比分析相結(jié)合的研究方法。首先，全面了解大尺寸曲面整流罩蜂窩夾層復(fù)合材料的制備工藝和應(yīng)用現(xiàn)狀，制定試驗(yàn)件的研究內(nèi)容。其次，設(shè)計(jì)并實(shí)施試驗(yàn)件制備和性能測試，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。最后，基于試驗(yàn)件成型質(zhì)量及性能測試數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和對比，總結(jié)研究結(jié)論。在技術(shù)路線上，結(jié)合試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)件工藝方案、工藝流程及測試方法，保證研究的科學(xué)性和可靠性。試驗(yàn)件研制技術(shù)路線如圖1所示。

4 試驗(yàn)件材料

本試驗(yàn)件預(yù)浸料為TY2304/SW110C高溫玻纖預(yù)浸料，膠膜為J-271B高溫膠膜，發(fā)泡膠為J-60帶狀發(fā)泡膠，蜂窩芯為CNC2-2.75-64芳綸紙蜂窩。

5 試驗(yàn)件制造

5.1 試驗(yàn)件成型工藝

本試驗(yàn)件分別采用共固化成型工藝和共膠接成型工藝制造試驗(yàn)件。共固化試驗(yàn)件：上、下面板（濕）+蜂窩一同鋪貼，共固化成型。共膠接試驗(yàn)件：先固化貼膜面下面板，鋪放蜂窩+上面板（濕）共膠接固化成型。

5.2 試驗(yàn)件尺寸

結(jié)合試驗(yàn)件后續(xù)試樣取樣尺寸和數(shù)量，綜合考慮成型及加工制造等誤差，確定試驗(yàn)件尺寸。

5.3 試驗(yàn)件成型模具

試驗(yàn)件成型模具使用鋼質(zhì)平板模具，平板模具平面度為0.46mm，可有效保證試驗(yàn)件成型后的平面度要求。由于試驗(yàn)件蜂窩芯厚度較大，當(dāng)試驗(yàn)件在加壓固化成型時，試驗(yàn)件側(cè)邊蜂窩芯有被壓塌風(fēng)險(xiǎn)[2]，因此在試驗(yàn)件四周增加一組金屬擋邊，避免蜂窩壓塌。

5.4 試驗(yàn)件蜂窩

本研究試驗(yàn)件蜂窩芯采用至少4塊蜂窩拼接形成。為保證試驗(yàn)件蜂窩芯斜削區(qū)和過渡區(qū)的外形尺寸和質(zhì)量，蜂窩芯采用數(shù)控機(jī)加方式。

5.5 試驗(yàn)件鋪層

試驗(yàn)件普通區(qū)由上、下面板及膠膜、蜂窩組成，層板區(qū)域由上、下面板組成，靠近鋪層對稱面局部插層鋪貼，過渡區(qū)丟層鋪貼，丟層間距3mm。

6 試驗(yàn)件成型

6.1 共固化試驗(yàn)件成型

共固化試驗(yàn)件采用手工鋪貼，熱壓罐固化成型。在鋪貼過程中進(jìn)行抽真空預(yù)壓實(shí)，試驗(yàn)件上、下面板及蜂窩芯一同鋪貼完成并固化。共固化試驗(yàn)件工藝流程如圖2所示。

6.2 共膠接試驗(yàn)件成型

共膠接試驗(yàn)件采用手工鋪貼，熱壓罐固化成型。在鋪貼過程中進(jìn)行抽真空預(yù)壓實(shí)，試驗(yàn)件先鋪貼靠模面的下面板鋪層并固化。在下面板固化完成后，進(jìn)行后續(xù)膠膜、蜂窩及上面板鋪貼，鋪貼完成后共膠接固化成型。共膠接試驗(yàn)件工藝流程如圖3所示。

6.3 試驗(yàn)件成型步驟

按照試驗(yàn)件技術(shù)文件要求，準(zhǔn)備模具、預(yù)浸料及膠膜。

按照制試驗(yàn)件技術(shù)要求，領(lǐng)取已檢驗(yàn)合格入庫的蜂窩芯，對蜂窩芯進(jìn)行干燥除濕處理，干燥除濕處理后的蜂窩芯須及時密封保存并送入潔凈間內(nèi)，待鋪貼時使用。按照試驗(yàn)件鋪層料片文件，使用自動下料機(jī)下料，保證料片尺寸和角度精確。

按照試驗(yàn)件技術(shù)要求的鋪層角度和鋪層順序進(jìn)行鋪層，先鋪貼試驗(yàn)件下面板鋪層，在P1層預(yù)浸料鋪貼完成后，進(jìn)行抽真空預(yù)壓實(shí)，保證預(yù)浸料緊貼模具表面。當(dāng)鋪貼預(yù)浸料時，第一層與最后一層、鋪放夾芯材料之前與之后、夾芯材料上的第一層以及每鋪貼3層～4層就進(jìn)行真空預(yù)壓實(shí)。當(dāng)鋪貼時，預(yù)浸料采用搭接處理，搭接寬度10～15mm，相同角度層料片搭接須錯開至少25mm，每過至少5層可重復(fù)至原搭接位置。

在完成試驗(yàn)件下面板鋪貼后，在蜂窩芯區(qū)域，鋪貼一層膠膜，膠膜尺寸須比蜂窩芯區(qū)域尺寸大5～10mm，膠膜鋪貼后須進(jìn)行一次預(yù)壓實(shí)。（注：共膠接試驗(yàn)件下面板鋪貼完成后，先固化下面板，再進(jìn)行膠膜、蜂窩和上面板鋪貼）。

根據(jù)模具上蜂窩區(qū)域刻線放置蜂窩芯，采用J-60發(fā)泡膠填充蜂窩芯之間的拼縫，須用發(fā)泡膠填充整個蜂窩塊拼縫，可將發(fā)泡膠裁剪成寬度略大于芯材厚度的條狀。放置蜂窩芯后須進(jìn)行一次預(yù)壓實(shí)定位，預(yù)壓實(shí)結(jié)束后須檢查蜂窩芯位置是否偏移，蜂窩拼縫是否填充完整，檢查合格后可繼續(xù)上面板鋪貼。在完成試驗(yàn)件所有鋪層后，須在試驗(yàn)件四周放置金屬擋邊，按照試驗(yàn)件技術(shù)要求進(jìn)行封裝、制袋，氣密性檢測合格后，將模具轉(zhuǎn)運(yùn)至熱壓罐內(nèi)進(jìn)行固化。

7 試驗(yàn)件質(zhì)量檢驗(yàn)

試驗(yàn)件脫模完成后，對試驗(yàn)件進(jìn)行內(nèi)、外部質(zhì)量、厚度、質(zhì)量、無損等檢測。

7.1 外部質(zhì)量檢驗(yàn)

采用目視檢驗(yàn)，對成型后試驗(yàn)件的上、下面板外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查，試驗(yàn)件外觀無凹陷、無表面褶皺、無表面劃傷、無裂紋、無夾雜、無大面積貧膠等質(zhì)量缺陷。使用電子百分表對試驗(yàn)件蜂窩塊拼縫區(qū)域深度進(jìn)行檢測，蜂窩塊拼縫區(qū)凹陷深度在0.106mm～0.215mm。

7.2 厚度、質(zhì)量檢驗(yàn)

按照試驗(yàn)件技術(shù)要求，使用外卡規(guī)和游標(biāo)卡尺，對試驗(yàn)件各區(qū)域厚度進(jìn)行測量并記錄實(shí)測數(shù)據(jù)，使用電子秤對試驗(yàn)件質(zhì)量進(jìn)行測量并記錄。

7.3 內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)（無損檢測）

按照試驗(yàn)件技術(shù)要求，采用超聲波A掃和敲擊檢測對試驗(yàn)件各區(qū)域進(jìn)行無損質(zhì)量檢測，試驗(yàn)件內(nèi)部無缺陷。

7.4 試驗(yàn)件剖切檢驗(yàn)

對試驗(yàn)件各區(qū)域進(jìn)行剖切，檢查試驗(yàn)件各區(qū)域蜂窩與面板粘接情況，蜂窩與面板無分層與脫粘缺陷。試驗(yàn)件蜂窩斜削區(qū)蜂窩與面板之間無空腔、孔洞及蜂窩塌陷情況。試驗(yàn)件蜂窩塊之間拼接區(qū)發(fā)泡膠填充質(zhì)量好，無未填充區(qū)域。試驗(yàn)件上、下面板區(qū)切面無纖維屈曲、褶皺、分層及空腔等缺陷。

8 試驗(yàn)件檢測結(jié)果及分析

完成試驗(yàn)件內(nèi)、外質(zhì)量檢驗(yàn)后，按照試驗(yàn)件技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn)件物理及力學(xué)測試試樣加工。

試驗(yàn)件力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)件力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)

測試項(xiàng)目 類型

共固化試驗(yàn)件 共膠接試驗(yàn)件

0°拉伸模量（GPa） 25.9 28

0°拉伸強(qiáng)度（MPa） 574 660

0°壓縮模量（GPa） 26.3 27.1

0°壓縮強(qiáng)度（MPa） 572 600

90°拉伸模量（GPa） 26.4 27.2

90°拉伸強(qiáng)度（MPa） 545 630

90°壓縮模量（GPa） 25.6 27.1

90°壓縮強(qiáng)度（MPa） 568 619

滾筒剝離強(qiáng)度貼袋面（N/mm2） 82.6 69.1

滾筒剝離強(qiáng)度貼模面（N/mm2） 20.2 27.5

面內(nèi)剪切模量（GPa） 3.71 4.33

面內(nèi)剪切強(qiáng)度（MPa） 78.7 87.3

短梁剪切強(qiáng)度（MPa） 103 101

彎曲強(qiáng)度（MPa） 705 738

側(cè)壓L向強(qiáng)度（MPa） 237 249

側(cè)壓W向強(qiáng)度（MPa） 204 239

試驗(yàn)件力學(xué)性能離散系數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)件力學(xué)性能離散系數(shù)（單位：%）

測試項(xiàng)目 類型

共固化試驗(yàn)件 共膠接試驗(yàn)件

0°拉伸模量/% 1.4186 4.7710

0°拉伸強(qiáng)度/% 2.7380 3.6507

0°壓縮模量/% 1.0289 1.1373

0°壓縮強(qiáng)度/% 6.4382 5.8083

90°拉伸模量/% 2.3559 0.4797

90°拉伸強(qiáng)度/% 3.3873 0.9491

90°壓縮模量/% 0.9820 1.5591

90°壓縮強(qiáng)度/% 4.6740 3.4422

滾筒剝離強(qiáng)度貼袋面/% 5.0703 2.5261

滾筒剝離強(qiáng)度貼模面/% 34.4820 7.8273

面內(nèi)剪切模量/% 4.0816 8.9960

面內(nèi)剪切強(qiáng)度/% 2.5734 3.7175

短梁剪切強(qiáng)度/% 0.6865 1.2284

彎曲強(qiáng)度/% 1.9578 1.1870

側(cè)壓L向強(qiáng)度/% 18.2000 13.9000

側(cè)壓W向強(qiáng)度/% 15.4000 21.4000

試驗(yàn)件物理性能檢測數(shù)據(jù)見表 3。

表3 試驗(yàn)件物理性能檢測數(shù)據(jù)

測試項(xiàng)目 區(qū)域 類型

共固化試驗(yàn)件 共膠接試驗(yàn)件

密度 普通區(qū)（蜂窩夾芯）（g/cm3） 0.197 0.188

孔隙率 上面板普通區(qū)（%） 0.313 1.695

下面板普通區(qū)（%） 1.764 0.048

上面板過渡區(qū)（%） 0.881 2.293

下面板過渡區(qū)（%） 2.389 0.070

上面板加厚區(qū)（%） 1.567 1.969

下面板加厚區(qū)（%） 1.927 0.034

層板區(qū)（%） 1.291 1.303

纖維體積含量 上面板普通區(qū)（%） 34.6 42.3

下面板普通區(qū)（%） 33.2 37.9

上面板過渡區(qū)（%） 39.2 44.5

下面板過渡區(qū)（%） 37.3 42.6

上面板加厚區(qū)（%） 40.4 49.0

下面板加厚區(qū)（%） 38.8 40.1

層板區(qū)（%） 43.1 43.4

9 試驗(yàn)件制造分析

9.1 試驗(yàn)件質(zhì)量穩(wěn)定性分析

共膠接試驗(yàn)件為下面板先單獨(dú)固化成型，可有效保證下面板固化后的內(nèi)外部質(zhì)量，降低產(chǎn)品質(zhì)量事故風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高。當(dāng)共膠接試驗(yàn)件固化上面板時，已固化的下面板對蜂窩有一定的固持作用，可降低蜂窩在固化過程中滑移的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)共固化成型試驗(yàn)件固化時，通過蜂窩傳遞下面板的壓力，導(dǎo)致下面板受力不均勻，造成固化后的下面板更易出現(xiàn)密集孔隙等內(nèi)部缺陷。共固化試驗(yàn)件為整體一次性鋪貼成型，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中影響質(zhì)量穩(wěn)定性因素較多，因此質(zhì)量較難控制。

9.2 試驗(yàn)件力學(xué)性能數(shù)據(jù)分析

通過表1試驗(yàn)件力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)對比分析，得出共膠接試驗(yàn)件力學(xué)性能整體優(yōu)于共固化試驗(yàn)件。

9.3 試驗(yàn)件力學(xué)性能穩(wěn)定性分析

通過表2試驗(yàn)件力學(xué)性能離散系數(shù)對比分析，在排除其他不可控因素的影響后，共膠接試驗(yàn)件力學(xué)性能的穩(wěn)定性要優(yōu)于共固化試驗(yàn)件。

10 存在問題分析及解決措施

10.1 共膠接試驗(yàn)件上面板局部存在雪花缺陷

問題分析：在鋪貼過程中，料片之間夾裹空氣；當(dāng)固化時，預(yù)浸料揮發(fā)氣體未完全排出。解決措施：當(dāng)鋪貼操作時，按技術(shù)要求進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，增加預(yù)壓實(shí)時間和次數(shù)；優(yōu)化固化工藝參數(shù)。

10.2 試驗(yàn)件蜂窩拼縫在斜削區(qū)存在局部蜂窩凹陷

問題分析：在蜂窩在機(jī)加過程中，局部蜂窩網(wǎng)格存在損傷；在固化過程中，局部蜂窩存在一定滑移。解決措施：蜂窩機(jī)加嚴(yán)格控制刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀量；當(dāng)鋪貼料片時，在斜削邊用膠帶將料片與模具粘貼；模具增加防滑帶。

10.3 試驗(yàn)件蜂窩拼縫局部凹陷

問題分析：蜂窩邊緣不平整，導(dǎo)致局部拼縫間隙偏大。解決措施：在拼縫間隙偏大處額外增加一層發(fā)泡膠；在蜂窩拼縫處放置工藝蓋板。

11 結(jié)論

本研究采用共膠接和共固化成型工藝分別成型制造試驗(yàn)件，完成各試驗(yàn)件的內(nèi)、外部質(zhì)量檢驗(yàn)及力學(xué)性能測試和物理性能測試。對試驗(yàn)件力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)合試驗(yàn)件力學(xué)性能數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、試驗(yàn)件物理性能數(shù)據(jù)及試驗(yàn)件質(zhì)量可控性等方面分析，共膠接成型工藝方法更適合此試驗(yàn)件的生產(chǎn)制造。建議在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，采用共膠接成型工藝方法降低研制風(fēng)險(xiǎn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

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