本文摘要：表面疏松是影響復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)性能的一種常見缺陷，本篇 材料論文 探討復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是新材料的設(shè)計(jì)過程，要充分考慮不同材料組合后帶來的強(qiáng)度和工藝問題，不能單純地用組成復(fù)合材料中某一種材料的特性來定義復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特性，應(yīng)充分考慮每種材料
表面疏松是影響復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)性能的一種常見缺陷，本篇材料論文探討復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是新材料的設(shè)計(jì)過程，要充分考慮不同材料組合后帶來的強(qiáng)度和工藝問題，不能單純地用組成復(fù)合材料中某一種材料的特性來定義復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特性，應(yīng)充分考慮每種材料的特性和組合后帶來的問題。《纖維復(fù)合材料》本刊面向全國(guó)玻璃鋼與復(fù)合材料行業(yè)，同時(shí)兼顧不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯等熱固性樹脂領(lǐng)域及玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、助劑與填料等上游原輔材料;較早關(guān)注近年來發(fā)展較快的熱塑性復(fù)合材料等先進(jìn)復(fù)合材料。重點(diǎn)交流本行業(yè)中新材料及新產(chǎn)品的工藝研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試與分析、成型設(shè)備、助劑與填料、生產(chǎn)與發(fā)展等。同時(shí)，報(bào)導(dǎo)國(guó)內(nèi)外的科研進(jìn)展及新產(chǎn)品、新技術(shù)信息、積極促進(jìn)我國(guó)玻璃鋼行業(yè)技術(shù)交流與發(fā)展。
摘要近年來，民用航空器上的復(fù)合材料應(yīng)用比例越來越高，而夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以大幅提高結(jié)構(gòu)性能，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化。夾芯結(jié)構(gòu)由于需混合使用多種性能的材料，因而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型工藝提出了更高的要求。從實(shí)際應(yīng)用中遇到的零件表面疏松缺陷問題入手，對(duì)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中用到的不同的性能材料進(jìn)行了研究，提出了優(yōu)化復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的方法。
關(guān)鍵詞復(fù)合材料，疏松
近年來，復(fù)合材料在飛機(jī)等民用航空器上的應(yīng)用受到了廣泛重視，逐步從主要應(yīng)用于非承力部件發(fā)展到全機(jī)應(yīng)用的水平。例如，意大利馬基M346教練機(jī)中復(fù)合材料的用量達(dá)到了機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的20%;空客A380飛機(jī)中的復(fù)合材料用量占到了機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的25%;波音787中復(fù)合材料的用量占比達(dá)到50%，遠(yuǎn)超過鋁所占的20%;空客A350XWB寬體客機(jī)中復(fù)合材料的用量占比也達(dá)到了50%以上;而美國(guó)X-45C無人戰(zhàn)斗機(jī)中復(fù)合材料的用量占比超過了90%。復(fù)合材料夾芯板由復(fù)合材料面板和芯材組成，是一種典型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)具有密度小、剛性大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、減震性能好等特點(diǎn)。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)形式在現(xiàn)代飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件中的應(yīng)用越來越受到重視。夾芯結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多種不同性能特點(diǎn)的材料的復(fù)合，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。
1復(fù)合材料疏松產(chǎn)生的原因
疏松是復(fù)合材料缺陷的一種主要形式，是由大量的氣孔和孔隙導(dǎo)致的。其中，氣孔即復(fù)合材料中存在少量空氣或微小的氣泡，這些空氣和氣泡有在層間聚集的趨勢(shì)。氣孔通常由以下兩個(gè)因素造成：一是固化過程中的模具不匹配，導(dǎo)致沿構(gòu)件表面的壓力分布不均，在樹脂無法充填的區(qū)域形成缺陷;二是高揮發(fā)性樹脂和短固化周期的聯(lián)合作用，如果揮發(fā)物不能在樹脂固化前釋放，就會(huì)形成氣孔，而有時(shí)孔隙也可以由樹脂吸濕形成。孔隙是固體材料給定區(qū)域內(nèi)空氣或氣體微泡的狀態(tài)，通常由于樹脂流動(dòng)不完全和局部過熱或樹脂污染引起。復(fù)合材料的材料力學(xué)特性隨孔隙含量的增大而降低。
2產(chǎn)生疏松的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)
本文以碳纖維預(yù)浸料PVC(聚氯乙烯)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)為例，研究產(chǎn)生的復(fù)合材料疏松缺陷情況。研究表明，碳纖維預(yù)浸料PVC泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中的疏松缺陷產(chǎn)生在靠近模具一側(cè)的零件表面。
3疏松產(chǎn)生的原因分析
按照以下步驟分析疏松缺陷產(chǎn)生的原因：(1)對(duì)模具進(jìn)行檢查、對(duì)材料的存放管理進(jìn)行檢查，排除模具和材料存放管理的問題。(2)針對(duì)零件內(nèi)外表面質(zhì)量的差異，考察固化過程中是否存在局部過熱問題。以1.2℉/min～1.4℉/min的速率進(jìn)行加熱，結(jié)果表明，零件上、下表面僅在冷卻時(shí)出現(xiàn)最大8℉～10℉的溫度差，如圖1所示，不會(huì)造成零件質(zhì)量差異。(3)對(duì)固化過程中氣體產(chǎn)生的原因進(jìn)行考察。由于該碳纖維預(yù)浸料PVC泡沫夾芯結(jié)構(gòu)由預(yù)浸料和泡沫組成，因此，預(yù)浸料中的樹脂可能會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)物，泡沫也可能會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)物，此外，表面缺膠可能會(huì)造成針孔。針對(duì)以上可能的原因，設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)進(jìn)行排除、篩選，以達(dá)到有針對(duì)性地對(duì)產(chǎn)生氣體的原因進(jìn)行分析的目的。
4試驗(yàn)分析
4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)如圖2所示的試驗(yàn)件：(1)在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加一層膠膜，以提高結(jié)構(gòu)的樹脂含量。(2)在零件與模具面之間增加一層脫模布，以促進(jìn)模具面的樹脂排氣。(3)在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加一層快干膠，減少泡沫與預(yù)浸料的揮發(fā)物間的干擾。(4)在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加隔離膜，將泡沫與預(yù)浸料隔離，避免泡沫與預(yù)浸料的揮發(fā)物間的干擾。
4.2試驗(yàn)結(jié)果按規(guī)劃生產(chǎn)試驗(yàn)件，結(jié)果如圖3和圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，原零件鋪層形式表面質(zhì)量很差;膠膜區(qū)域略有改善;脫模布區(qū)域基本沒有變化;快干膠區(qū)域略有改善;隔離膜區(qū)域表面質(zhì)量改善顯著。
4.3試驗(yàn)結(jié)果分析由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，增加零件表面的樹脂含量，零件表面質(zhì)量?jī)H略有改善，這說明造成表面疏松缺陷的原因并不是缺膠。在靠模面增加脫模布改善零件表面排氣能力，并不能改善零件表面質(zhì)量。而在泡沫與層壓板之間增加隔離膜，將泡沫與層壓板的環(huán)境隔離后，零件表面質(zhì)量顯著改善。這說明，層壓板在成型過程中的排氣是沒有問題的，而多余的氣體是泡沫排放的，而且不能夠完全排出。同時(shí)，快干膠區(qū)域也對(duì)零件表面質(zhì)量具有一定的改善作用，這是因?yàn)榭旄赡z在固化初期固化，對(duì)泡沫與層壓板具有一定的隔絕效果。
綜上所述，泡沫在零件成型過程中會(huì)排出氣體，泡沫排出的氣體不能通過表面層壓板排出。同時(shí)，零件采用的固化曲線為二級(jí)固化曲線(零件升溫到第一個(gè)平臺(tái)后保溫，使樹脂充分流動(dòng)浸潤(rùn)排出樹脂中的氣體，然后升溫到第二平臺(tái)保溫固化)，說明泡沫排氣的時(shí)間要長(zhǎng)于第一平臺(tái)保溫的時(shí)間，使得泡沫中的氣體沒有充分排出，或泡沫排氣的溫度高于第一平臺(tái)保溫的溫度，使氣體沒有及時(shí)排出，樹脂流動(dòng)性已經(jīng)降低，最終形成了氣泡。
5泡沫夾芯結(jié)構(gòu)零件表面疏松的解決
通過以上的分析發(fā)現(xiàn)，要想解決缺陷問題，需要對(duì)零件的固化曲線進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)以下兩種改善固化曲線的方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：第一種方式：將固化曲線中的第一平臺(tái)的保溫時(shí)間延長(zhǎng)，保證泡沫排出的氣體可以排出零件外。試驗(yàn)結(jié)果表明，沒有明顯的改善。第二種方式：在固化曲線中第一平臺(tái)保溫溫度與第二平臺(tái)固化溫度之間增加一個(gè)中間溫度進(jìn)行保溫，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，同樣的試驗(yàn)件，所有區(qū)域的表面質(zhì)量均顯著改善。
6結(jié)束語(yǔ)
復(fù)合材料是由多種材料復(fù)合而成的新型材料。碳纖維預(yù)浸料PVC泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中的疏松缺陷主要是由于泡沫的排氣導(dǎo)致的。分析和試驗(yàn)表明，在固化曲線中第一平臺(tái)保溫溫度與第二平臺(tái)固化溫度之間增加一個(gè)中間溫度進(jìn)行保溫，可顯著改善零件表面的質(zhì)量，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能。
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