張琛，張棟梁

摘要本文針對(duì)碳纖維織物預(yù)浸料陽模成型L/C型梁結(jié)構(gòu)，在R區(qū)出現(xiàn)的面外纖維褶皺缺陷進(jìn)行了研究。通過控制工藝方法得到了不同毛坯厚度的試驗(yàn)件；對(duì)試驗(yàn)件固化前后厚度壓縮量進(jìn)行了對(duì)比；并對(duì)褶皺進(jìn)行了金相顯微鏡分析。結(jié)果表明，復(fù)合材料R區(qū)出現(xiàn)褶皺是由于成型過程中，預(yù)浸料在R區(qū)層間滑移受到限制，纖維方向不可壓縮導(dǎo)致；固化前后厚度壓縮程度對(duì)R區(qū)成型質(zhì)量有很大影響，壓縮量越大，R區(qū)越容易出現(xiàn)褶皺；相比于L型結(jié)構(gòu)，C型結(jié)構(gòu)對(duì)纖維滑移的限制更大，更容易在R區(qū)出現(xiàn)褶皺。

關(guān)鍵詞復(fù)合材料；R區(qū)；缺陷；纖維褶皺；纖維滑移

Study on Folding Defects in R-zone of Carbon?Fiber Composite Structure

ZHANG Chen， ZHANG Dongliang

（AVIC Composite Company Ltd.，Beijing 101300）

ABSTRACTThis article focuses on the study of out-of-plane fiber wrinkling defects in L/C-shaped beam structures made of carbon fiber fabric pre-impregnated prepregs. Experimental specimens with different thicknesses were obtained by controlling the process method. The thickness compression before and after curing of the specimens was compared， and the wrinkles were analyzed by metallographic microscope. The results show that the wrinkles in the composite material R region are caused by the restricted interlayer slip of the prepreg in the R region during the molding process， which leads to the inability of fiber direction to be compressed. The degree of thickness compression before and after curing has a significant impact on the molding quality of the R region， with larger compression resulting in a higher likelihood of wrinkles in the R region. Compared to the L-shaped structure， the C-shaped structure has a greater restriction on fiber slip， making it more prone to wrinkles in the R region.

KEYWORDScomposite material; R region; defect; fiber fold; fiber slip

1引言

航空領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料用量逐漸增加，使用部位從非承力件逐漸向次承力件和承力結(jié)構(gòu)部件擴(kuò)展。目前，復(fù)合材料已經(jīng)逐漸在機(jī)身、機(jī)翼、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)中大量使用［1］。由于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、抗老化、并且易于大面積整體成型等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用逐漸增加，目前，復(fù)合材料在飛機(jī)梁、肋等結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已經(jīng)對(duì)復(fù)合材料R區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，制造工藝覆蓋了手鋪、自動(dòng)化成型等多種工藝方式［2-8］，但成型過程中R區(qū)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)纖維褶皺現(xiàn)象。研究表明，樹脂流動(dòng)和纖維滑移是復(fù)合材料成型過程中的重要行為，T. G. Gutowski等［9-11］提出了纖維褶皺形成的理想運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，縱向平面內(nèi)剪切模式，即相鄰纖維之間相互滑動(dòng)，以及層間相對(duì)滑動(dòng)的剪切模式。在一層內(nèi)進(jìn)行一定程度的橫向剪切和縱向穿過厚度的剪切，通過不同的粘滯剪切機(jī)制，使排列的纖維符合復(fù)雜的幾何形狀。P. Hallander等［12-13］通過針對(duì)雙曲結(jié)構(gòu)變截面C型梁，對(duì)不同鋪層、鋪層厚度和鋪層預(yù)壓實(shí)的試驗(yàn)，研究復(fù)合材料層合板成形過程中產(chǎn)生褶皺的機(jī)理，證明褶皺缺陷更容易出現(xiàn)在過渡區(qū)的位置，在成形過程中處于整體張力下的層板凹陷區(qū)域存在壓縮，層間摩擦對(duì)層間載荷傳遞起著重要作用，毛坯的變形能力越強(qiáng)，越有利于缺陷的控制。T.J. Dodwell等［14］針對(duì)陽模成型C型梁R區(qū)面外褶皺進(jìn)行研究，提出了一維模型，認(rèn)為鋪層類似于書頁，提高層間滑移能力，使鋪層可以進(jìn)行充分滑移，可以有效改善R區(qū)褶皺。J. Sjlander等［15］通過數(shù)值模擬的方法解釋了纖維層板起皺的原理，認(rèn)為產(chǎn)生褶皺是由于整體鋪層的壓縮或局部單層壓縮，在成形過程中，由于材料剪切而發(fā)生局部壓縮，隨后發(fā)生面內(nèi)褶皺，從而在材料中產(chǎn)生壓應(yīng)力。纖維平行于壓應(yīng)力的層更容易彎曲，從而引起面外褶皺。各項(xiàng)研究表明，纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料制造過程中褶皺缺陷形成的機(jī)理，是層壓板的體積壓縮，預(yù)浸料材料在纖維方向上的不可壓縮性，以及由于摩擦系數(shù)或?qū)訅喊宓南嚓P(guān)邊界條件，影響了預(yù)浸料片相對(duì)于另一層的滑動(dòng)能力，這三種因素共同影響了褶皺缺陷產(chǎn)生。

目前國(guó)外已經(jīng)針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)褶皺問題進(jìn)行了一些理論研究，并建立了一些模型進(jìn)行描述，但國(guó)內(nèi)對(duì)該問題的研究，主要集中在力學(xué)性能和無損檢測(cè)方面，對(duì)于其產(chǎn)生原因及影響因素鮮見報(bào)道。本文通過對(duì)復(fù)合材料毛坯厚度，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式等因素進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，通過金相顯微鏡對(duì)R區(qū)皺褶進(jìn)行了表征，結(jié)合樹脂流動(dòng)及纖維滑移等理論分析了復(fù)合材料R區(qū)褶皺的產(chǎn)生原因及影響因素。

纖維復(fù)合材料2024年2期碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)褶皺缺陷研究2試驗(yàn)部分

2.1原材料及設(shè)備

原材料：T300級(jí)碳纖維織物增強(qiáng)增韌環(huán)氧樹脂預(yù)浸料（碳纖維面密度為193 g/m2，含膠量40 %，固化后單層厚度為0.21 mm，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司）。

設(shè)備：熱壓罐，德國(guó)肖茨（SCHOLZ）公司；Smartzoom 5蔡司數(shù)碼顯微鏡，德國(guó)Carl Zeiss AG集團(tuán)。

2.2試驗(yàn)過程

本文采用手工鋪疊陽模成型的方法制備L型和C型試驗(yàn)件，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。試驗(yàn)件鋪層設(shè)計(jì)為：［45/-45/0/90/-45/45/0/90/-45/45/0/90/0］s，理論厚度3.78 mm，結(jié)構(gòu)R角半徑6 mm。

通過預(yù)浸料預(yù)浸工藝調(diào)整以及鋪疊過程工藝調(diào)整，可以得到不同厚度的L型及C型結(jié)構(gòu)毛坯，對(duì)固化前后R區(qū)域的厚度測(cè)量，計(jì)算出壓縮量，同時(shí)通過宏觀觀察和金相剖切的方法對(duì)R區(qū)皺褶缺陷進(jìn)行表征。

所有試驗(yàn)件固化工藝制度如圖2所示，均采用：加壓0.6 MPa，當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到0.14 MPa時(shí)真空袋接通大氣，同時(shí)升溫至180 ℃，保溫120 min，降溫卸壓，升溫速率為0.5～2 ℃/min，降溫速率為0.5～3 ℃/min。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1L型試驗(yàn)件制造結(jié)果

測(cè)量未固化毛坯厚度，與固化后試驗(yàn)件的厚度進(jìn)行對(duì)比，得到試驗(yàn)件固化前后厚度壓縮量，對(duì)制造結(jié)果進(jìn)行判斷，制造結(jié)果如表1所示。

當(dāng)試驗(yàn)件固化前后厚度壓縮量為14.0? %和19.2? %時(shí)，R區(qū)未出現(xiàn)明顯褶皺；當(dāng)固化前后壓縮量為22.9? %時(shí)，R區(qū)出現(xiàn)褶皺。

3.2C型試驗(yàn)件制造結(jié)果

測(cè)量未固化毛坯厚度，與固化后試驗(yàn)件的厚度進(jìn)行對(duì)比，得到試驗(yàn)件固化前后厚度壓縮量，對(duì)制造結(jié)果進(jìn)行判斷，制造結(jié)果如表2所示。

當(dāng)試驗(yàn)件固化前后厚度壓縮量為9.8? %時(shí)，R區(qū)未出現(xiàn)明顯褶皺；當(dāng)固化前后壓縮量為18.9? %和20.9? %時(shí)，R區(qū)出現(xiàn)褶皺。

4結(jié)果及討論

4.1壓縮量對(duì)R區(qū)褶皺的影響

通過試驗(yàn)測(cè)試得到L 型和C型兩種構(gòu)型壓縮量對(duì)R區(qū)褶皺的關(guān)系，如表1和表2所示。

可以看出，在本試驗(yàn)條件下，R區(qū)褶皺與復(fù)合材料固化前后的壓縮量成正相關(guān)。固化前后厚度壓縮量較低時(shí)，R區(qū)不容易出現(xiàn)褶皺，壓縮量達(dá)到一定程度后，將出現(xiàn)褶皺。

4.2結(jié)構(gòu)形式對(duì)R區(qū)褶皺的影響

通過對(duì)比L型和C型兩種構(gòu)型，可以看出，R區(qū)褶皺與試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。當(dāng)厚度壓縮量程度相同時(shí)（L-2/C-2），C型結(jié)構(gòu)比L型結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生R區(qū)褶皺。

4.3R區(qū)褶皺的特點(diǎn)及規(guī)律分析

通過金相顯微觀察L-1～L-3，C-1～C-3，可以看出試驗(yàn)件產(chǎn)生R區(qū)纖維褶皺的位置，均靠近貼袋面，即接近表層位置，貼近模具的鋪層未出現(xiàn)褶皺。以C-1和C-3為例，如圖3所示，褶皺處纖維出現(xiàn)堆積，未能向兩側(cè)充分滑移展開，纖維明顯向外拱起；大量樹脂填充在拱起的纖維下方，樹脂含量明顯增加。

由于在復(fù)合材料成型過程中，樹脂流動(dòng)和纖維滑移的結(jié)果決定了制件的成型質(zhì)量，特別是存在R角結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，R區(qū)位置的纖維滑移效果決定了最終制件的外形質(zhì)量。在熱壓罐工藝中，樹脂在固化過程中隨溫度升高粘度變低，在壓力作用下會(huì)出現(xiàn)向面內(nèi)和層間的流動(dòng)，同時(shí)纖維在厚度方向逐漸密實(shí)，制件整體厚度降低，但在纖維方向是不可壓縮的，由于樹脂的剪切流動(dòng)，鋪層之間應(yīng)會(huì)出現(xiàn)滑移，但由于層間摩擦力的存在以及外界壓力會(huì)增加層間摩擦，滑移效果受到影響，導(dǎo)致纖維無法充分滑移，而出現(xiàn)皺褶。同時(shí)增韌劑的存在，使預(yù)浸料系統(tǒng)內(nèi)除了熱固性樹脂典型的滲流流動(dòng)外，也表現(xiàn)出了熱塑性樹脂的剪切流動(dòng)，使纖維滑移進(jìn)一步受到限制。

材料壓縮具有累積性，材料壓縮示意圖如圖4所示。假設(shè)材料每層之間均勻壓縮，不同鋪層因壓縮而產(chǎn)生的位移量計(jì)算方法為：

Sn=（h0-h）×（n-0.5）（1）

式中，h0為固化前單層厚度；h 為固化后單層厚度，n為層數(shù)。

理想的成型過程，如圖5（a）所示，隨著厚度的壓縮，纖維自由滑移至相應(yīng)位置。但實(shí)際成型過程中，纖維滑移受阻，當(dāng)壓縮量過大時(shí)，如圖5（b）所示，材料在R區(qū)出現(xiàn)堆積，由于靠近表層的位置，材料的位移量更大，堆積更嚴(yán)重。在樹脂低粘度階段纖維未能充分滑移并適應(yīng)型面，就會(huì)出現(xiàn)彎曲，最終形成褶皺。

相比于L型結(jié)構(gòu)，C型結(jié)構(gòu)由于兩側(cè)R角的互相約束使其對(duì)纖維滑移的束縛更大，如圖6所示，因此更容易出現(xiàn)R區(qū)纖維褶皺。

5結(jié)語

（1）復(fù)合材料R區(qū)出現(xiàn)褶皺是由于成型過程中，預(yù)浸料在R區(qū)層間滑移受到限制，纖維方向不可壓縮，導(dǎo)致出現(xiàn)纖維彎曲，形成面外褶皺。

（2）復(fù)合材料固化前后厚度壓縮程度對(duì)R區(qū)成型質(zhì)量有很大影響，壓縮量越大，R區(qū)越容易出現(xiàn)褶皺。

（3）相比于L型結(jié)構(gòu)，C型結(jié)構(gòu)對(duì)纖維滑移的限制更大，更容易在R區(qū)出現(xiàn)褶皺。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］魏然，蘇震宇，劉洋. 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用 ［J］. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2024， 14 （03）： 193-196. DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.03.046.

［2］陳文，黃哲，楊帆，等. 基于國(guó)產(chǎn)T300級(jí)碳纖維復(fù)合材料C型肋結(jié)構(gòu)成型工藝 ［J］. 高科技纖維與應(yīng)用， 2024， 49 （01）： 64-69.

［3］薛向晨，胡江波，王犇，等. 基于疊層滑移工藝的復(fù)合材料J形和C形梁成形技術(shù) ［J］. 航空科學(xué)技術(shù)， 2020， 31 （06）： 27-34. DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.005.

［4］程文禮，魏然，梁憲珠. 先進(jìn)復(fù)合材料制造及過程控制技術(shù) ［J］. 民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究， 2020， （01）： 85-90. DOI：10.19416/j.cnki.1674-9804.2020.01.015.

［5］王凱，陳敏英，蘇月. 復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)件的成型方法研究概況 ［J］. 纖維復(fù)合材料， 2019， 36 （04）： 63-67+72.

［6］房曉斌，郭俊剛，王宏博，等. 淺談復(fù)合材料C型梁的制造工藝 ［J］. 粘接， 2019， 40 （01）： 50-53+57.

［7］李雪芹，安學(xué)鋒，郭雙喜，等. 含斜坡過渡區(qū)的復(fù)合材料C型梁熱隔膜成型模擬［C］// 中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)，杭州市人民政府. 第三屆中國(guó)國(guó)際復(fù)合材料科技大會(huì)摘要集-分會(huì)場(chǎng)16-19. 北京航空材料研究院，先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)試驗(yàn)室;中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心;， 2017： 1.

［8］韓小勇，蘇佳智，徐少晨，等. 復(fù)合材料C型肋零件回彈研究 ［J］. 航空制造技術(shù)， 2016， （20）： 63-67. DOI：10.16080/j.issn1671-833x.2016.20.063.

［9］GUTOWSKI T G， CAI Z， BAUER S， et al. Consolidation Experiments for Laminate Composites［J］. Journal of Composite Materials， 1987，21（7）：650-669.

［10］GUTOWSKI T G， MORIGAKI T， ZHONG C. The Consolidation of Laminate Composites［J］. Journal of Composite Materials， 1987，21（2）：172-188.

［11］Li T . Laminate wrinkling scaling laws for ideal composites［J］. Composites Manufacturing， 1995.

［12］Hallander P ， Akermo M ， Mattei C ， et al. An experimental study of mechanisms behind wrinkle development during forming of composite laminates［J］. Composites Part A Applied Science and Manufacturing， 2013， 50（50）：54-64.

［13］A P H ， B J S ， B M K . Forming induced wrinkling of composite laminates with mixed ply material properties; an experimental study［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2015， 78：234-245.

［14］Dodwell T J ， Butler R ， Hunt G W . Out-of-plane ply wrinkling defects during consolidation over an external radius［J］. Composites Science & Technology， 2014， 105（dec.）：151-159.

［15］Sjlander J ， Hallander P ， Kermo， M. Forming induced wrinkling of composite laminates： A numerical study on wrinkling mechanisms［J］. Composites Part A Applied Science & Manufacturing， 2016， 81：41-51.