復合材料膠接共固化工程缺陷研究

王海青　萬喜偉　徐洪波

（中航復合材料有限責任公司　北京市　101300）

復合材料膠接共固化工程缺陷研究

王海青萬喜偉徐洪波

（中航復合材料有限責任公司北京市101300）

本文對復合材料膠接共固化常見缺陷：制件的外形尺寸超差、復材制件內(nèi)部缺陷和膠接面缺陷產(chǎn)生原因進行研究，為復合材料膠接共固化結(jié)構(gòu)的工程中缺陷的預防及出現(xiàn)缺陷后的處理有較高的借鑒價值。

膠接共固化；缺陷

1　概述

復合材料因其優(yōu)越的可設計性、抗疲勞、抗腐蝕以及較高的減重效率，已經(jīng)成為目前各種先進飛機結(jié)構(gòu)的必選材料。復合材料在國外先進飛機上的應用比例逐年提高，波音787飛機復合材料應用比例已經(jīng)超過50%，空客從A310的5%復合材料到A380的25%，最新研制的A350XWB已經(jīng)超越波音787的復合材料用量，達到53%。

復合材料在飛機上的應用遵循由小到大、由簡到繁、由中溫構(gòu)件到高溫甚至超高溫部件[1～2]、從次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)的規(guī)律，機翼作為飛機主承力構(gòu)件，由于其結(jié)構(gòu)尺寸大、受力復雜等原因，也是先在小型飛機和軍用飛機上進行設計應用，在長期使用過程中積累了大量的設計、成型、使用和維護等工程經(jīng)驗后，才逐步在大飛機上展開應用。

要將復合材料從零件變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)件甚至部件發(fā)揮其整體化優(yōu)勢，就必須用到膠接工藝，而根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)、材料以及生產(chǎn)條件，膠接工藝又分為多種。二次膠接（長桁和蒙皮分別固化，然后組裝二次膠接）；共固化（蒙皮與長桁分別鋪疊預成型，再組裝膠接共固化）；膠接共固化（長桁或蒙皮先固化，再與預成型蒙皮或長桁膠接共固化）。其中膠接共固化以其：保證加工精度，便于質(zhì)量控制，定位方便，低工裝成本用途更為廣泛。

膠接共固化成型技術(shù)在我國軍機、民機中得到了廣泛的應用，也積累了豐富的經(jīng)驗，本文主要研究膠接共固化工程應用中產(chǎn)生的缺及原因進行研究。

2　膠接共固化缺陷類型及原因

膠接共固化顧名思義，發(fā)生的反應為：復材制件的膠接及復材制件本身的固化。其缺陷有三種：制件的外形尺寸[6]、復材制件內(nèi)部質(zhì)量及膠接面膠接質(zhì)量。

2.1制件的外形尺寸

制件的外形尺寸影響零件外形尺寸的因素較多，除文獻[6]中提出的固化變形等引起的外形超差缺陷外，本文主要從工藝細節(jié)角度如脫模材料、固化封裝角度闡述制件外形尺寸的缺陷產(chǎn)生。

2.1.1脫模材料

膠接共固化成型必不可少的模具表面為了方便脫模一般采用兩種處理方式：涂刷脫模劑和鋪放脫模布。

脫模劑由于其直接涂刷在模具表面，復材制件固化時表面樹脂與脫模劑直接接觸，在固化壓力作用下，二者接觸面摩擦力較大，復材制件會隨模具的膨脹而被動膨脹，復材制件的固化變形較大，尤其是大尺寸壁板[5]，這種變形甚至會產(chǎn)生次生缺陷，如圖1。

圖1　固化后壁板膠接件變形趨向示意圖

脫模布能將模具與復材制件隔離開，模具熱膨脹對復材制件的帶動摩擦力相對較小，能緩解這種固化變形引起的缺陷。但脫模劑使用方便、價格便宜，可以用于小的簡單結(jié)構(gòu)，脫模布成本相對較高。

2.1.2固化封裝

復合材料膠接共固化一般采用熱壓罐法進行固化，固化需要真空袋封裝后進罐加壓、升溫固化，制件模具結(jié)構(gòu)及封裝方法會影響制件表面壓力的傳遞。

圖2　T型筋條封裝示意圖

圖2中，圓圈位置輔助材料堆積及真空袋疊袋，固化時所受壓力勢必小于所施加的壓力，筋條制件壓力不勻，會引起制件厚度不勻，引起外形的偏差。

2.2復材制件內(nèi)部質(zhì)量

影響復材膠接共固化的內(nèi)部質(zhì)量因素很多，影響復材固化的因素都會影響復材膠接共固化的質(zhì)量[3]，本文主要討論膠接帶來的復材制件內(nèi)部的缺陷：模具配合和填料填充。

2.2.1模具配合

膠接共固化涉及到復材制件的固化，不論是蒙皮固化或筋條固化，都存在模具配合問題。

蒙皮固化一般使用橡膠軟模，橡膠軟模俗稱“勻壓板”，用于蒙皮固化成型風險非常小，但橡膠軟模易老化變形，經(jīng)歷幾次熱歷程后便會產(chǎn)生變形，尤其是復雜結(jié)構(gòu)的拐點區(qū)域，如未及時發(fā)現(xiàn)容易引起蒙皮缺陷。

筋條固化模具配合更加重要，一般金屬與金屬配合模具成型的筋條外觀較好，但金屬剛度較大，無法像軟模一樣自適應，適用于環(huán)氧類粘度較高的樹脂；金屬與軟硬配合一般風險較小，但也涉及到軟模老化的問題，一般適用于粘度較低、保壓性能較差的樹脂。

2.2.2填料填充

復材膠接件筋條類型有很多種：T型、工型、L型、C型、J型筋條等，無論哪種筋條成型是都存在“R角”，需要在筋條與蒙皮制件填充填料成型，如圖3。

圖3　L型筋條填料示意圖

填料對制件的質(zhì)量影響主要有兩方面：

（1）填料本身質(zhì)量對制件影響：填料成型方式為單向帶預浸料揉搓成圓柱形或鋪疊成形填充，與制件配合時修整多余填料，成型時單向帶內(nèi)部存有氣體或空洞區(qū)域[4]，固化時氣體積聚，產(chǎn)生分層缺陷。

（2）填料配合對制件影響：填料與筋條配合時需要將填料擠壓到筋條配合面，是筋條膠接時配合面最多區(qū)域，填料與制件配合不緊密或位置偏移等都會引起筋條制件的質(zhì)量問題。

可見，單向帶填料對制件的影響不可忽視，應重視單向帶填料的成型與裝配。

2.3膠接面質(zhì)量

復材膠接共固化面膠接主要靠膠粘劑將各復材單元膠接在一起，復材單元有已固化制件，也有未固化制件，根據(jù)多年的制造經(jīng)驗總結(jié)影響膠接共固化的因素有：膠粘劑處理、膠接面處理和制件配合。

2.3.1膠粘劑處理

常用膠粘劑一般為環(huán)氧類膠粘劑，對濕度較敏感，膠粘劑操作時應當在凈化間中進行，且應減少膠粘劑在空氣中暴露時間，工程實踐中曾經(jīng)出現(xiàn)過由于凈化間空調(diào)突然壞了，膠接操作在濕度大于65%的環(huán)境中進行，引起的膠接面大面積空隙密集。因此，膠粘劑的吸濕性是影響膠接面質(zhì)量的重要影響因素，一般建議膠膜使用時環(huán)境濕度在60%以內(nèi)。

2.3.2膠接面處理

復合材料膠接一個關(guān)鍵步驟為制件表面預處理（主要對已固化制件），好的預處理可以提高膠接層面的粘接強度，同樣不良的預處理方式也會降低膠接層面的粘接強度。影響膠接面膠接性能的因素主要有兩種：①表面處理不徹底，制件表面存在剝離層的分子轉(zhuǎn)移；②制件表面存在預結(jié)合水分（表面吸濕），有研究表明，預結(jié)合水分對膠接強度和耐久性有災難性影響。應當對制件預處理方式進行分析與研究，制定可靠的表面預處理方法。

2.3.3制件配合

復合材料膠接主要依靠膠粘劑將各組合原件粘接在一起，各組合原件的配合度及出現(xiàn)配合間隙應如何補償?shù)鹊目刂?，決定復合材料膠接膠接面強度與質(zhì)量。處理方法一般有兩種：

（1）在已固化膠接制件增加犧牲層：一般適用于筋條先固化的復雜結(jié)構(gòu)，在膠接預裝時將間隙測量出來，并對筋條犧牲層進行打磨，配合完全后進行膠接。

（2）增加墊片：一般適用于膠接面間隙較大，在配合間隙大的位置填充膠粘劑和增強體（預浸料或玻璃布、紗網(wǎng)等），保證膠接面的配合完全并防止膠粘劑流失。

3　結(jié)論

本文總結(jié)了復合材料膠接共固化產(chǎn)生缺陷的類型及預防措施，為提高復合材料膠接共固化質(zhì)量提供依據(jù)。

[1]紀斌逸，許國棟，蔣蔚.聚酰亞胺膜類材料在先進復合材料成型中的應用研究.建材與裝飾，2015，5（22）：127～128.

[2]紀斌逸，陳靜，蔣蔚.熱壓罐成型BMP316聚酰亞胺基復合材料構(gòu)件表面分層缺陷控制研究.航空制造技術(shù)，2014（15）：46～49.

[3]紀斌逸，徐國棟，蔣蔚.T300/BMP316聚酰亞胺基復合材料層壓板表面損傷研究.建材與裝飾，2015，6（23）：162～164.

[4]萬喜偉，王海青，彭公秋.國產(chǎn)碳纖維在某型號復合材料壁板的應用情況分析.航空制造技術(shù)，2014（15）：50～51，55.

[5]萬喜偉，王海青，徐洪波.某大型復合材料結(jié)構(gòu)膠接面次生缺陷解決過程分析.航空制造技術(shù)，2014（11）：96～99.

[6]程文禮，邱啟艷，曹霞等.熱壓罐復合材料工程制造主要缺陷研究中航工業(yè)復合材料技術(shù)中心[A].第17屆全國復合材料學術(shù)會議論文[C].583～ 587.

TB33

A

1673-0038（2015）31-0272-02

2015-7-4

王海青（1976-），男，北京人，高工，本科，主要研究方向為復合材料。