目前先进的复合材料技术大量运用在武器装备的制造中。军代表在日常的质量监督和不合格品处理中发现层叠法制造的复合材料制件缺陷比较多。我们对QY8911/T300层叠法制造的近20000件复合材料制件的无损检测数据, 进行了统计分析, 结果发现:分层、孔隙、气孔、脱粘、富脂、贫胶是工程中最为常见的制造缺陷类型。据资料显示, 分层缺陷占了复合材料制件缺陷的近60%。在所有的缺陷中, 最危险的内部缺陷也许是分层, 由一层层预浸料叠合而成的复合材料在不采用缝纫一类措施时, 分层所引起的破坏是难免的[1]。显然, 分层会影响结构的承载能力, 严重时会导致结构的失效。而引起分层的因素较多, 几乎每道工序环节都会影响最终产品的性能, 已固化的热固性树脂复合材料, 一旦质量有问题, 几乎无法挽救。
为了避免这种损失, 提高复合材料制件的质量水平。本文对QY8911/T300湿法预浸料层叠法制造的复合材料制件从原材料到固化的整个制作过程的每一个环节进行分析, 旨在找出引起分层的原因, 并制订出相应的控制措施, 以降低复合材料制件的故障率。
1 分层原因分析
1.1 树脂原材料的工艺性
为使固化后的复合材料制件具有良好的性能, 首先应合理确定固化的温度、压力、时间等工艺参数, 而这些参数主要取决于所选用的树脂体系。
预浸料树脂加压时机不是固定的某一刻时间, 而是一个时间段——加压带, 在加压带内加压都可以满足固化工艺的要求。较宽的加压带意味着在一定温度范围内可以停留较长时间, 使零件的每一几何点都能平衡达到该温度, 这样显然更有利于零件的固化质量。
图1是QY8911/T300预浸料在 (18~20) ℃密封状态下存放 (1~4) 周后于140℃时的凝胶时间图, 从图中可以看出随存放期的增加, 凝胶时间缩短。存放两周后树脂凝胶时间仍有12min, 但存放四周后就缩短至6min。
在实际生产中, 树脂入厂期一般为两周, 再经过毛坯铺叠及进热压罐前的准备后, 树脂的凝胶时间会有不同程度的缩短, 相应地加压带将变窄。如果零件在固化时已超过了最晚加压时机, 则加压时树脂的流动性已变得较差, 所施加的压力无法使基体树脂均匀分布, 层压板的层与层之间无法完全贴合, 层间结合薄弱, 会造成大面积分层或者呈疏松状态, 严重影响零件的内部质量。
所以, 应尽量在树脂加压带较宽时进行生产。
1.2 加压点的控制
加压时机是热压罐成型工艺的重要参数。加压过早, 复合材料毛坯中的树脂流失造成贫胶;加压过晚, 树脂凝胶过深, 树脂流动性太差, 所施加的压力无法压实毛坯, 叠层块的层和层之间无法完全贴合, 造成大面积分层, 甚至呈疏松状态。无论加压过早或过迟, 都严重影响制件的内部质量。因此, 选择合适的加压时机对减少零件的分层缺陷是十分重要的。
1.3 工装的热分布和热电偶的安放位置
由于零件在热压罐内的升温热量主要来源于工装和罐温, 而罐温的均匀性是经过验证的, 所以工装在热压罐内安放位置会直接影响零件预吸胶和固化过程中的升温速率。在工装正式投入生产前必须先行测试其在热压罐内的热分布的均匀性, 理论上, 工装热容量较大的部位应正对热压罐的罐门, 以加快其升温速率, 提高零件的升温均匀性。虽然树脂黏度随着温度的升高不断降低, 但同时由于部份小分子链段产生交联反应所需要的热量较小, 将提前发生交联反应, 黏度不断增加。因此到达加压温度时, 由于树脂凝胶过深, 流动性太差, 所施加的压力无法使基体树脂均匀分布, 层压板的层与层之间无法完全贴合, 层间结合薄弱, 会造成升温速率过慢的部位分层或者呈疏松状态, 严重影响零件的内部质量。
1.4 软模
1.4.1 软模硬度
我们选取某型机的某个零件, 在其固化之后, 测量零件所用固化软模的硬度, 发现无缺陷零件所用软模的硬度略高于有分层零件所用的软模硬度。
如果软模没有完全硫化, 硬度就达不到有效传压的要求, 相应地零件容易出现分层缺陷。
1.4.2 软模安放位置
软模的安放应完全贴合零件, 否则同样不能有效传递压力。
1.5 铺层操作
在零件毛坯的铺叠过程中, 每铺叠一层都要辅助使用电吹风或电熨斗将预浸料展开压平, 尽量除去层间的空气。对于厚度较大的零件, 在铺叠过程中还应该根据零件形状和厚度等因素, 适当安排不同次数的抽真空处理, 目的也是排出铺叠过程中裹入的空气及预浸料中的挥发份。否则若铺层间残留的空气和其它小分子物较多, 在零件固化之后就容易形成分层或疏松缺陷。
2 结语
综上所述, 通过以下途径可以降低复合材料的分层故障率。
(1) 应尽量减少胶液原材料的贮存和预浸料的常温存放时间。
(2) 选择合适的加压点。
(3) 铺叠及准备时间应尽量短;铺叠过程中尽量不用温度很高的电吹风和电熨斗;预吸胶温度不能过高, 时间不能太长。
(4) 提高工装的热均匀性, 且将热电偶安放在模具与毛坯之间。
(5) 适当提高软模的硬度, 并确保软模的安放贴合零件。
摘要：本文全面分析了碳纤维/双马树脂层叠法制造的复合材料制件在制造全过程中每一个环节可能引起分层的原因, 并找出对应的控制措施。
关键词：层叠法,复合材料,分层,控制
参考文献
[1] 航空航天工业部科学技术研究院.复合材料设计手册[M].航空工业出版社, 1990:39.