U形復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型技術(shù)研究

姚麗瑞

摘要：分析了U形復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)工藝方案、共膠接工藝參數(shù)優(yōu)化和內(nèi)蒙皮鋪疊過(guò)程中鋪疊預(yù)處理和鋪疊防滑移處理，提高零件成型質(zhì)量。結(jié)果表明，在成型U形復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇先成型外蒙皮，再將蜂窩與內(nèi)蒙皮一起共膠接成型的工藝方案，成型的外蒙皮成型質(zhì)量好，內(nèi)蒙皮與蜂窩共膠接成型不容易出現(xiàn)缺陷。共膠接工藝選擇加壓0.2 MPa同時(shí)全程抽真空，既能提供足夠的共膠接成型壓力，又能保證蜂窩不產(chǎn)生滑移和塌陷等缺陷;在內(nèi)蒙皮鋪疊過(guò)程中采用鋪疊預(yù)處理及鋪疊防滑移處理能有效防止內(nèi)蒙皮產(chǎn)生褶皺和滑移等缺陷。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;蜂窩夾層;工藝;成型技術(shù)

中圖分類號(hào)：V261

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.043

復(fù)合材料比強(qiáng)度、比剛度高，是目前航空航天重要的結(jié)構(gòu)及功能材料[l]。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有密度小、彎曲剛度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、隔熱隔音等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天非主承力結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用[2]。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是目前所知的最節(jié)省材料、具有最大的強(qiáng)度重量比的一種結(jié)構(gòu)性材料。與實(shí)心材料相比，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料使用的有效材料僅為被替代材料的l% - 5%，它是一種用料省、耗能小的極具潛力的輕質(zhì)材料[3]。

1

U形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝難點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

U形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由外蒙皮、內(nèi)蒙皮及蜂窩芯組成，外蒙皮、內(nèi)蒙皮材料為ZT7G/LT-03A碳纖維單向帶環(huán)氧預(yù)浸料，蜂窩芯材為NRH-2-48芳綸紙蜂窩。U形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)截面如網(wǎng)1所示。

1.2 工藝難點(diǎn)

在U形復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中，容易出現(xiàn)脫粘、鋪層褶皺、蜂窩滑移等缺陷[4]，為了使蜂窩區(qū)板一芯膠接質(zhì)量良好的同時(shí)，保證板一板膠接區(qū)域的膠接質(zhì)量，需要在保證蜂窩不滑移的前提下，對(duì)U形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)外蒙皮及內(nèi)蒙皮進(jìn)行充分加壓，因此工藝方案的選擇非常重要。

為保證蜂窩區(qū)不產(chǎn)生滑移和塌陷，且最大程度對(duì)蒙皮區(qū)域進(jìn)行加壓，工藝參數(shù)的選擇非常重要。

U形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)蒙皮在蜂窩上及U形結(jié)構(gòu)底部容易褶皺和滑移，產(chǎn)生缺陷，如何控制內(nèi)蒙皮在成型過(guò)程中的褶皺及滑移，也是一個(gè)工藝難點(diǎn)。

2 工藝方案選擇

U形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)要保證蜂窩區(qū)板一芯膠接質(zhì)量良好的同時(shí)，還要保證板一板膠接區(qū)域的膠接質(zhì)量。由于U形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的外蒙皮一般為氣動(dòng)面，因此選擇先成型外蒙皮，再將蜂窩與內(nèi)蒙皮一起共膠接成型的工藝方案。該工藝方案的優(yōu)點(diǎn)是外蒙皮成型質(zhì)量好、內(nèi)蒙皮與蜂窩共膠接成型不容易出現(xiàn)缺陷。

熱壓罐復(fù)合材料成型需工裝保證零件的尺寸及成型質(zhì)量，因此復(fù)合材料模具的設(shè)計(jì)制造對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大[5]。在成型外蒙皮時(shí)，采用金屬陽(yáng)模成型，在內(nèi)蒙皮與蜂窩共膠接過(guò)程中，采用陰模成型，將固化好的外蒙皮先放人U形陰模中，然后將蜂窩、膠接和內(nèi)蒙皮依次鋪放，封裝后進(jìn)入熱壓罐成型。

3 工藝參數(shù)選擇

熱成型工藝參數(shù)的選擇對(duì)整個(gè)零件的固化過(guò)程影響非常大[6-8]。工藝參數(shù)包括成型壓力、溫度、固化時(shí)間及升降溫速率等，其中壓力的選擇十分重要，在膠接共固化時(shí)，需要選擇合適的成型壓力，在不造成蜂窩的滑移和塌陷的前提下，最大程度地對(duì)零件進(jìn)行加壓。

選用ZT7G/LT-03A碳纖維單向帶環(huán)氧預(yù)浸料及底角為17。的NRH-2-48芳綸紙蜂窩進(jìn)行工藝試驗(yàn)，采用不同工藝參數(shù)進(jìn)行共膠接成型，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，加壓0.3 MPa時(shí)，由于壓力過(guò)大，共膠接過(guò)程中產(chǎn)生的側(cè)向分力導(dǎo)致蜂窩發(fā)生滑移或塌陷。加壓O.1 MPa時(shí)，預(yù)浸料在熱成型過(guò)程中壓力較小，預(yù)浸料包裹的氣體和樹(shù)脂固化過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)份等無(wú)法排出從而導(dǎo)致無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)孔隙缺陷。而加壓0.2 MPa并抽真空時(shí)，共膠接過(guò)程能夠提供預(yù)浸料足夠的成型壓力，同時(shí)又沒(méi)有產(chǎn)生蜂窩滑移和塌陷。而加壓0.2 MPa不抽真空，預(yù)浸料包裹的氣體和樹(shù)脂固化過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)份無(wú)法通過(guò)抽真空路徑排出，所以存在內(nèi)蒙皮孔隙缺陷。

4 內(nèi)蒙皮鋪疊

U形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)蒙皮在蜂窩上及U形結(jié)構(gòu)底部容易褶皺和滑移，產(chǎn)生缺陷。一般在內(nèi)蒙皮鋪疊過(guò)程中，采用鋪疊預(yù)處理及鋪疊防滑移處理。

鋪疊預(yù)處理是為減少因預(yù)浸料鋪疊過(guò)程中包裹的氣體不易排出而造成的缺陷，選擇在預(yù)浸料鋪疊過(guò)程中，對(duì)預(yù)浸料鋪層進(jìn)行多次抽真空操作。根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)，內(nèi)蒙皮鋪疊時(shí)每層抽真空20 min與每四層抽真空20 min相比，能有效減少內(nèi)蒙皮的缺陷。

鋪疊防滑移處理是在內(nèi)蒙皮鋪疊時(shí)，將內(nèi)蒙皮鋪疊尺寸加寬，在模具余量區(qū)域形成“防滑條”鋪層，以減少內(nèi)蒙皮滑移同時(shí)減小U形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的變形，如圖2所示。

5 結(jié)論

在成型U形復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇先成型外蒙皮，再將蜂窩與內(nèi)蒙皮一起共膠接成型的工藝方案。該工藝方案的優(yōu)點(diǎn)是外蒙皮成型質(zhì)量好，內(nèi)蒙皮與蜂窩共膠接成型不容易出現(xiàn)缺陷。共膠接工藝選擇加壓0.2 MPa，同時(shí)全程抽真空，既能夠提供足夠的共膠接成型壓力，又能保證蜂窩不產(chǎn)生滑移和塌陷等缺陷。在內(nèi)蒙皮鋪疊過(guò)程中采用鋪疊預(yù)處理及鋪疊防滑移處理，能有效防止內(nèi)蒙皮的褶皺和滑移。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙渠森，郭恩明.先進(jìn)復(fù)合材料手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003.

[2]袁超，邱啟艷.復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼尖小翼成型技術(shù)研究[J].科技與創(chuàng)新，2019 （6）： 62-63.

[3]袁超.復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)J形梁共固化成型技術(shù)研究[J].科技與創(chuàng)新，2018（ 22）：102-103，105.

[4]閆恩瑋，楊紹昌.U型蜂窩夾芯前緣制造技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2017（ 17）： 80-83.

[5]袁超，程文禮.復(fù)合材料閉角結(jié)構(gòu)零件分體脫模技術(shù)研究[J].科技與創(chuàng)新，2019 （8）： 80-81.

[6]陳蔚，成理，葉宏軍，等.Nomex蜂窩夾層復(fù)合材料的成型工藝研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2017 （7）： 70-73.

[7]鄭義珠，顧軼卓，孫志杰，等.Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)真空袋共固化過(guò)程蜂窩變形[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，26 （4）： 29-35。

[8]袁超，張明.復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)方向舵二次膠接成型技術(shù)研究[J].科技與創(chuàng)新，2019（7）：92-93.