大型復(fù)合材料構(gòu)件變形控制技術(shù)*

吳 波，平麗浩，方 芳

(1. 中電科蕪湖鉆石飛機(jī)制造有限公司, 安徽 蕪湖 241000; 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

與傳統(tǒng)大型金屬材料構(gòu)件相比，大型復(fù)合材料構(gòu)件能夠顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)利用率，減少零件數(shù)量，降低裝配和使用成本，因而在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但在原材料、工藝等多個(gè)因素的綜合影響下，大型復(fù)合材料構(gòu)件在固化成型過(guò)程中容易發(fā)生翹曲變形，影響產(chǎn)品的裝配和使用，因此如何控制這種變形顯得尤為重要[1-2]。

為了掌握大型復(fù)合材料構(gòu)件精度控制技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)建立了較為完善的理論基礎(chǔ)，但在實(shí)際的工程實(shí)踐應(yīng)用中，還缺少系統(tǒng)、有效且穩(wěn)定的控制大型復(fù)合材料構(gòu)件變形的工藝方法。為掌握大型復(fù)合材料構(gòu)件研制技術(shù)，本文在國(guó)內(nèi)外理論研究基礎(chǔ)上，從鋪層設(shè)計(jì)、模具材料、固化過(guò)程熱場(chǎng)、固化壓力等方面，系統(tǒng)分析了變形的內(nèi)在原因，并給出了控制大型復(fù)合材料構(gòu)件變形的工藝方案。

1 大型復(fù)合材料構(gòu)件變形的原因

1.1 鋪層設(shè)計(jì)分析

各向異性是復(fù)合材料最大的特征，便于復(fù)合材料根據(jù)需要進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。纖維材料在不同方向的線性膨脹系數(shù)不同，若鋪層設(shè)計(jì)不合理，則復(fù)合材料構(gòu)件在不同方向的尺寸變化也不同，宏觀上表現(xiàn)為構(gòu)件的翹曲變形。

1.2 模具材料分析

在復(fù)合材料構(gòu)件成型過(guò)程中，模具起到承載、維形及約束構(gòu)件的作用。一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)小，其尺寸基本不隨溫度變化而改變。這就對(duì)模具提出了同樣的熱穩(wěn)定要求。若模具工裝熱膨脹系數(shù)大，那么在加熱、加壓過(guò)程中，由于模具與復(fù)合材料構(gòu)件尺寸變化不同步，特別是樹(shù)脂基體到達(dá)凝膠點(diǎn)以后，構(gòu)件貼模面隨模具熱膨脹尺寸變化大，產(chǎn)生較大剪切力，而遠(yuǎn)離模具的復(fù)合材料層尺寸變化小，剪切力也隨之減小，因此在復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部形成梯度剪切力，在構(gòu)件固化脫模后，內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件發(fā)生明顯變形，如圖1所示[3-4]。

圖1 模具線性膨脹系數(shù)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件變形的影響示意圖

1.3 固化過(guò)程熱場(chǎng)分析

固化的過(guò)程是復(fù)合材料受熱收縮硬化的過(guò)程。固化過(guò)程中構(gòu)件的熱場(chǎng)分為外熱場(chǎng)和內(nèi)熱場(chǎng)。大型復(fù)合材料構(gòu)件在熱壓罐或烘房中受熱固化時(shí)，處于外部加熱環(huán)境中。如果構(gòu)件不同位置經(jīng)受的溫度不同，則不同位置的固化速率及固化度也不同，固化收縮的速度也隨之不同，宏觀表現(xiàn)為翹曲變形。而在構(gòu)件內(nèi)部存在內(nèi)熱場(chǎng)，復(fù)合材料構(gòu)件多為夾層結(jié)構(gòu)或?qū)訅喊褰Y(jié)構(gòu)，由于復(fù)合材料導(dǎo)熱性較差，難以保證復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部不同深度的溫度一致，從而在構(gòu)件不同厚度位置形成明顯的溫度梯度，導(dǎo)致接近蒙皮的位置先固化，而芯層部分后固化。內(nèi)外固化時(shí)間、溫度及速度的不同，導(dǎo)致內(nèi)外固化狀態(tài)不同，造成構(gòu)件變形。圖2給出了2 cm厚復(fù)合材料構(gòu)件固化過(guò)程中不同厚度處的溫度曲線。與廠家所給的固化工藝(MRC)相比，不同厚度處溫度有所不同，體現(xiàn)出復(fù)合材料構(gòu)件厚度梯度溫度場(chǎng)。

圖2 2 cm厚復(fù)合材料構(gòu)件固化過(guò)程中不同厚度處的溫度曲線[5]

1.4 固化過(guò)程的壓力分析[1]

壓力大小可以直接影響復(fù)合材料構(gòu)件的厚度。固化壓力可以通過(guò)改變樹(shù)脂含量以及樹(shù)脂分布來(lái)影響復(fù)合材料構(gòu)件的固化變形。

2 大型復(fù)合材料構(gòu)件變形控制解決方案

2.1 鋪層設(shè)計(jì)

在大型復(fù)合材料構(gòu)件鋪層過(guò)程中，需根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用合適的角度順序，以保證不同方向纖維布的性質(zhì)相同，防止因復(fù)合材料各向異性，受熱后不同方向的尺寸變化形成差異，從而造成固化后構(gòu)件變形。同時(shí)，鋪層過(guò)程還需注意以下方面：

1)纖維布可按鋪層需要進(jìn)行裁剪，但必須按要求搭接，以避免搭接縫重疊；

2)在模具拐角處不易鋪層的位置，考慮進(jìn)行加捻填料處理；

3)使用前對(duì)泡沫夾芯的4條邊進(jìn)行倒角處理，以避免纖維布和泡沫芯材間隙大導(dǎo)致的氣泡等缺陷的產(chǎn)生。

2.2 模具材料優(yōu)選

金屬材料的熱膨脹系數(shù)一般遠(yuǎn)大于復(fù)合材料。研究表明，復(fù)合材料層壓板的熱膨脹系數(shù)在合理鋪層設(shè)計(jì)條件下可以接近零膨脹[6]。為解決加熱固化過(guò)程中金屬模具與復(fù)合材料構(gòu)件因熱膨脹系數(shù)差異大產(chǎn)生剪切力造成的構(gòu)件變形問(wèn)題，可以選用同質(zhì)、高強(qiáng)度、耐溫的復(fù)合材料制造模具，以保證模具和構(gòu)件具有相同的熱膨脹系數(shù)，即基本接近于零膨脹，從而消除固化過(guò)程中構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力，避免脫模后變形。

2.3 固化過(guò)程熱場(chǎng)控制

如何控制大型復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)外熱場(chǎng)的均勻性是有效控制構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力造成構(gòu)件變形的關(guān)鍵因素。要保證溫度場(chǎng)的均勻性，首先應(yīng)根據(jù)大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的高精度、高質(zhì)量熱壓罐或烘房，采用電加熱的烘房的溫度控制一般優(yōu)于采用燃?xì)饧訜岬暮娣?。?gòu)件在烘房擺放時(shí)應(yīng)注意烘房加熱及熱空氣循環(huán)方式，避免熱空氣直接吹到構(gòu)件上，防止因構(gòu)件遮擋，迎風(fēng)面與背風(fēng)面溫度不一致產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而使構(gòu)件變形。在構(gòu)件固化過(guò)程中，可以將熱電偶粘貼到構(gòu)件的外表面和內(nèi)表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)溫度差異較大時(shí)，停止加熱或調(diào)整構(gòu)件擺放位置，以縮小不同位置的溫度差異。

對(duì)于內(nèi)熱場(chǎng)，由于碳纖維復(fù)合材料由單層纖維布通過(guò)樹(shù)脂層壓而成，樹(shù)脂導(dǎo)熱性差，因此復(fù)合材料構(gòu)件在層間的導(dǎo)熱性尤其差，熱量由外熱場(chǎng)傳導(dǎo)到蒙皮再到芯部需要一定時(shí)間，可采取降低升溫速率并增加保溫時(shí)間的措施，給予熱量傳導(dǎo)足夠的時(shí)間。

2.4 壓力控制及維形工裝使用

在鋪層過(guò)程中要防止架橋、皺褶等情況的發(fā)生。鋪層結(jié)束后，需對(duì)真空袋及其他輔料進(jìn)行檢查，避免漏氣情況發(fā)生，從而保證構(gòu)件各個(gè)位置均勻受力。

對(duì)于脫模后需要二次固化的大型復(fù)合材料構(gòu)件，在二次固化過(guò)程中，構(gòu)件已經(jīng)脫離模具在外形上的約束。由于樹(shù)脂材料在首次固化后未達(dá)到完全固化，在二次固化過(guò)程中材料會(huì)首先出現(xiàn)軟化，受熱不均或者在重力作用下，大型構(gòu)件容易出現(xiàn)變形現(xiàn)象。對(duì)于此類(lèi)構(gòu)件，需設(shè)計(jì)必要的維形工裝，約束大型構(gòu)件在固化過(guò)程中可能產(chǎn)生的變形。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證方案的可靠性，將變形控制方案應(yīng)用到某大型全復(fù)合材料機(jī)身的研制過(guò)程中。機(jī)身為薄殼夾層結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度達(dá)8 m，剖面為漸變圓截面，成型難度大。在成型過(guò)程中，首先對(duì)鋪層層數(shù)及角度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，同時(shí)嚴(yán)格控制單層預(yù)浸料的膠含量，經(jīng)隨機(jī)檢測(cè)，每平方米的膠含量均控制在(125 ± 2)g范圍內(nèi)。在曲率大的拐角處，使用混有長(zhǎng)纖維絲的膠粘劑進(jìn)行填充。模具材料選用與機(jī)身材料相同的碳纖維復(fù)合材料，為保證模具剛性，除控制模具鋪層厚度和方向外，還在模具底部合理使用金屬框架進(jìn)行增強(qiáng)。

機(jī)身固化分2段進(jìn)行，且后固化過(guò)程采用5段階梯式升降溫成型工藝，后固化溫度曲線如圖3所示。圖3中的緩慢分階段升溫工藝可以有效保證機(jī)身內(nèi)外溫度場(chǎng)的溫度均勻性。在后固化過(guò)程中，全程合理使用維形工裝對(duì)機(jī)身進(jìn)行維形。結(jié)果表明，研制的大尺寸機(jī)身厚度均勻，尺寸一致性好，脫模后與模具復(fù)模性好，目前已順利完成后續(xù)總裝裝配并投入使用。圖4為已完成噴漆的大尺寸全復(fù)合材料機(jī)身。

圖3 全復(fù)合材料機(jī)身后固化溫度曲線

圖4 已完成噴漆的大尺寸全復(fù)合材料機(jī)身

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，必須從其結(jié)構(gòu)入手，認(rèn)真分析影響其尺寸穩(wěn)定性的因素。尤其是要從鋪層設(shè)計(jì)、模具材料優(yōu)選、固化成型溫度場(chǎng)控制及壓力控制等方面入手，通過(guò)合理的鋪層設(shè)計(jì)、同質(zhì)模具工裝研制、多階段高精度升降溫固化成型及精確的壓力控制等手段，建立起通用性強(qiáng)、效果好的大型復(fù)合材料構(gòu)件變形控制方法。

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