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作者：毕红艳 段友社 陈永清 侯军生 中航复合材料有限责任公司 摘要：目前蜂窝夹芯复合材料的成型工艺主要有胶接成型和共固化成型，对两种成型工艺的优缺点进行分析比对，对不同成型工艺制造的蜂窝夹芯结构复合材料面板的弯曲、拉伸等性能进行对比分析， 同时对蜂窝夹芯结构长梁弯曲性能进行了对比。虽然采用共固化工艺成型蜂窝夹层结构时蒙皮力学性能有所下降，但是蒙皮与蜂窝之间的胶接强度提高了，得出了可采用共固化成型工艺制造用于的蜂窝夹层结构复合材料的结论,从而在结构材料性能满足设计要求的前提下,充分发挥了蜂窝夹层结构共固化成型工艺所具有的成型过程简单、制成品整体性好和重量轻等优点。 关键词：复合材料；蜂窝夹芯结构；力学性能；共固化 引言 蜂窝夹层结构复合材料是由两块高强度的上、下面板夹着一层蜂窝芯组成, 如图1所示。优点是：重量轻，强度大，刚性大，可以大幅度的减轻飞行器的重量；可设计性强；可以充分发挥复合效应的优点，使材料的受力处于最佳状态[1] ，现在主要用于构件尺寸大，强度要求较高的部件[2]。 图1 夹芯结构示意图 蜂窝夹层结构作为一种特殊的多孔复合材料已经广泛应用于航空、航天等各个领域[3-7]，特别是在航空工业中, 蜂窝夹层结构复合材料已成功地应用于飞行器等主、次承力结构件，表1列出了国外主要机型蜂窝加成结构的使用状况。 表1 国外主要机型蜂窝夹层结构的使用 目前蜂窝夹芯复合材料的成型工艺较为普遍的主要有胶接成型[8]和共固化成型[9]两种。胶接成型是先固化上下蒙皮，再用胶黏剂将上下蒙皮和蜂窝芯胶接成为一体。共固化和胶接不同之处在于上下蒙皮铺叠完成后不进行固化，而是组合成夹芯结构后同时固化。相对于胶接成型，共固化成型工艺步骤简单，工序少，生产效率高， 生产成本低。但由于蒙皮未固化，共固化成型工艺需要的成型压力较大，成型过程中也会产生面板纤维屈曲，树脂堆积等问题[10]，见图2和图3。 图2 共固化树脂堆积和纤维屈曲示意图 图3 共固化夹芯复合材料下蒙皮 共固化工艺和胶接工艺成型的夹芯复合材料构件的力学性能有什么区别[11~12]？共固化过程中纤维屈曲和树脂堆积等问题对蒙皮的力学性能有何影响？ 1 实验部分 1.1 原材料及设备 CF3031/BA9916-II织物预浸料：含胶量为38±2%，单层厚度为0.23mm，树脂体系为高温固化环氧树脂；CCF300/BA9916-Ⅱ预浸料：含胶量为33±2%，单层厚度为0.125mm，树脂体系为高温固化环氧树脂；Nomex蜂窝：规格52-48，高度10mm，平压强度≥1.48MPa，纵向剪切≥0.89MPa，剪切模量37.8 MPa，横向剪切≥0.53MPa，剪切模量22.8 MPa；J116A胶膜：常温(23℃)板-板剥离强度≥7.5KN/m，剪切强度≥35MPa。 INSTRON5567电子万能材料试验机；热压罐：型号XLG-1*2.3，最大压力为1.0 MPa；复合材料超声检测仪：型号S316013。 1.2 试件的制备 铺层设计：上、下蒙皮为2层CF3031/BA9916-Ⅱ和1层CCF300/BA9916-Ⅱ预浸料铺叠，铺层角度均为：[45//0/45]。 试验件结构为下蒙皮+J116A胶膜+10mm高的52-48Nomex蜂窝+J116A胶膜+上蒙皮。 试验分为两类试验：一种制作夹层结构试验件，一种制作单独蒙皮试验件。每一类试验都要求至少测量有6个有效数据，并计算得平均值，文章中的力学性能数据均为平均值。 制作夹层结构按成型工艺分为二次胶接成型和共固化成型。二次胶接成型的夹芯结构的复合材料制件蒙皮先固化。上蒙皮和下蒙皮固化后，按下蒙皮+胶膜+蜂窝+胶膜+上蒙皮的铺放顺序二次胶接。共固化成型的夹心结构的复合材料制件按下蒙皮+胶膜+蜂窝+胶膜+上蒙皮的顺序直接进行共固化。 制作单独蒙皮试验件按成型工艺分为共固化成型的蒙皮和二次胶接成型的蒙皮。共固化成型蒙皮由下蒙皮+隔离层+胶膜+蜂窝，按蜂窝件共固化工艺制成。二次胶接成型的蒙皮直接按平板件固化。 1.3 性能测试 对不同工艺成型的夹芯结构蒙皮进行拉伸试验、弯曲试验；对不同工艺成型的夹芯结构的复合材料制件夹层弯曲试验，所对应的试验件标准为： 拉伸试验按ASTM D3039测试，试验件如图4A所示； 弯曲试验按ASTM D790测试，跨距25mm，要求有印痕面受压，试验件如图4B所示； 夹层长梁弯曲试验按GB/T 1456-2005，跨距500mm，要求下蒙皮受压，试验件如图4C所示。 图4 各种性能测试照片 2 结果与讨论 根据成型工艺不同，进行两组试验：A：采用共固化成型夹芯复合材料构件，B：采用二次胶接成型夹芯复合材料结构。成型时工艺条件相同0.45MPa，180℃，3h。得到的力学性能如表2所示。 表2 不同工艺下夹芯结构复合材料的力学性能 从上表可以看出来，在同样材料、同样铺层和同样固化工艺条件采用共固化成型的下蒙皮比直接固化的层合板的拉伸强度和模量下降30%和22%左右，弯曲强度和模量下降了28%和40%左右。可以看出，采用共固化工艺蒙皮的力学性能比直接固化蒙皮的力学性能要低，主要是因为由于蜂窝的存在，共固化工艺使得蒙皮在固化过程中压力不均，造成蒙皮纤维屈曲，导致其力学性能下降。因此，采用共固化成型的夹层结构蒙皮比同样材料、同样铺层、同样固化工艺条件下采用二次胶接成型的夹层结构蒙皮力学性能低。 但是，在同样材料、同样铺层和同样固化工艺条件采用共固化成型的夹芯结构的长梁弯曲强度比二次胶接成型的夹层长梁弯曲强度提高了20%左右。可以看出，采用共固化成型的夹芯结构由于蒙皮未固化，在成型固化过程中，随着温度的升高，预浸料中的树脂逐渐流动起来，一部分树脂基体会流向胶膜中，与胶膜融合，并且爬升到蜂窝孔壁上，形成胶瘤，如图5的金相图所示。这样树脂与胶膜的融合，并爬升到蜂窝孔壁上的结果导致了蒙皮与蜂窝胶接强度增大，胶接性能高，使得共固化成型的夹层结构的弯曲强度比二次胶接成型的夹层结构的弯曲强度高。因此，采用共固化成型的夹层结构比同样材料、同样铺层、同样固化工艺条件下采用二次胶接成型的夹层结构的胶接强度高。 图5 共固化成型的夹层结构金相图 以上实验可以看出：共固化成型的夹芯结构相对于二次胶接成型的夹芯结构胶接强度高，但是蒙皮力学性能有所下降，并且二者之间的差距特别大，因此考虑事先对蒙皮进行预处理，然后再进行共固化成型夹芯结构，是否会得到比较好的结果。对此做了三组试验：在0.6MPa下，分别在70℃、115℃、135℃下对蒙皮进行预先处理，然后再按共固化成型工艺制备单独蒙皮和夹芯结构。对得到的蒙皮和夹芯结构做相应的力学性能测试，得到的力学性能数据如表3所示。 表3 不同预处理温度下夹芯结构的力学性能 由上表可以看出来，预处理工艺不同，蒙皮力学性能和夹芯结构的力学性能有较大的区别。这样可以结合之前的两组数据进行分析（如图6所示）。 图6 力学性能对比图 在试验范围内，通过处理后的蒙皮相对于未处理的蒙皮，蒙皮拉伸性能普遍提高，而且随着处理温度的升高，性能相应增加。这是因为拉伸性能主要是纤维来提供，预处理后，纤维相对平直，拉伸性能也相对较高。说明经过不同温度预处理后，蒙皮已经具有温度相对应的强度，再进行共固化成型后，蒙皮中的纤维随着处理温度的升高越接近平直。 经115℃和135℃处理后的夹层弯曲性能和二次胶接夹层弯曲接近，说明经过较高温度处理后，蒙皮在共固化的时候，纤维屈曲的现象明显减少，已经接近蒙皮单独固化后的性能。经过70℃处理后的夹层长梁弯曲性能与直接进行共固化成型的夹层长梁弯曲性能相差不大，说明经过70℃处理后，蒙皮还没有具有一定的强度，共固化成型时树脂的流动度还很高，胶接强度相应也较高。 从以上的分析讨论中可以得出，虽然采用共固化工艺成型蜂窝夹层结构时蒙皮力学性能有所下降，但是蒙皮与蜂窝之间的胶接强度提高了，因此可采用共固化工艺成型蜂窝夹层结构。为了得到比较好的蒙皮质量，共固化成型时可先对蒙皮进行预处理，预处理温度不能太高而影响胶接强度，这可根据具体的材料、工艺进行预先研究，选择比较好的预处理温度和压力来保证夹芯结构既具有较好的蒙皮力学性能，又能保证较高的胶接强度。 3 结论 本文针对现在蜂窝夹层结构主要的成型工艺，分别做了试验研究，通过比较共固化状态下蜂窝夹层结构蒙皮与夹层结构与在相同固化工艺条件下二次胶接成型蒙皮和夹层结构的力学性能，虽然采用共固化工艺成型蜂窝夹层结构时蒙皮力学性能有所下降，但是蒙皮与蜂窝之间的胶接强度提高了，得出了可采用共固化成型工艺制造用于的蜂窝夹层结构复合材料的结论,从而在结构材料性能满足设计要求的前提下,充分发挥了蜂窝夹层结构共固化成型工艺所具有的成型过程简单、制成品整体性好和重量轻等优点。 参考文献 [1] 赵渠森.先进复合材料手册[M]. 北京:机械工业出版社, 2003. [2]Helene Tchoutouo Ndiountche Gandy, Adhesiveless honeycomb sandwich structure with carbon graphite prepeg for primary structural appliction: a comparative study to the use of adhesive film[D].Master of science, Wichita state university, 2012. [3] 张广平.复合材料夹心板及其应用.纤维复合材料, 2000,(2) : 25-27. [4] 梁滨.蜂窝夹层结构面板胶粘剂的研究.中国胶粘剂, 2000(5): 11-13. [5] 韦生文. A型夹芯复合材料在地面雷达天线罩中的应用.纤维复合材料, 2005(2): 19-21. [6] 张华,姜健,祖火水,等.蜂窝夹层结构天线罩用中温材料体系性能研究.第三届全国复合材料学术会议论文集,2004:537-540． [7] 邹国发,万建平,王再玉,等.单臂梁复合材料全高度双曲面蜂窝夹层结构水平尾翼的研制.宇航材料工艺,2007,3:32-34. [8] 韦生文. A型夹芯复合材料在地面雷达天线罩中的应用[J], 纤维复合材料, 2005(2): 19-21. [9] 原崇新,李敏,顾轶卓.蜂窝夹层结构真空袋共固化工艺过程实验研究.复合材料学报.2008.25(2):57~62. [10] 毕红艳,段友社,陈永清，等.复合材料蜂窝夹层结构的共固化成型工艺研究.第17届全国复合材料学术会议论文.2012.670-674. [11] 张广成等.蜂窝夹层结构复合材料的力学性能研究[J]. 机械科学与技术, 2003.22(2):280~282. [12] 赵鹏飞,赵景丽,何颖.共固化成型无人机用复合材料/蜂窝夹层结构面板的性能.玻璃钢/复合材料.2009.1.62~64. 合作信箱：sampemarket@126.com |
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