成型工藝對蜂窩夾芯結構力學性能試驗研究

作者：畢紅艷 段友社 陳永清 侯軍生

中航複合材料有限責任公司

摘要：目前蜂窩夾芯複合材料的成型工藝主要有膠接成型和共固化成型，對兩種成型工藝的優缺點進行分析比對，對不同成型工藝製造的蜂窩夾芯結構複合材料面板的彎曲、拉伸等性能進行對比分析， 同時對蜂窩夾芯結構長梁彎曲性能進行了對比。雖然採用共固化工藝成型蜂窩夾層結構時蒙皮力學性能有所下降，但是蒙皮與蜂窩之間的膠接強度提高了，得出了可採用共固化成型工藝製造用於的蜂窩夾層結構複合材料的結論,從而在結構材料性能滿足設計要求的前提下,充分發揮了蜂窩夾層結構共固化成型工藝所具有的成型過程簡單、製成品整體性好和重量輕等優點。

關鍵詞：複合材料；蜂窩夾芯結構；力學性能；共固化

引言

　　蜂窩夾層結構複合材料是由兩塊高強度的上、下面板夾著一層蜂窩芯組成, 如圖1所示。優點是：重量輕，強度大，剛性大，可以大幅度的減輕飛行器的重量；可設計性強；可以充分發揮複合效應的優點，使材料的受力處於最佳狀態[1] ，現在主要用於構件尺寸大，強度要求較高的部件[2]。

圖1 夾芯結構示意圖

　　蜂窩夾層結構作為一種特殊的多孔複合材料已經廣泛應用於航空、航天等各個領域[3-7]，特別是在航空工業中, 蜂窩夾層結構複合材料已成功地應用于飛行器等主、次承力結構件，表1列出了國外主要機型蜂窩加成結構的使用狀況。

表1 國外主要機型蜂窩夾層結構的使用

　　目前蜂窩夾芯複合材料的成型工藝較為普遍的主要有膠接成型[8]和共固化成型[9]兩種。膠接成型是先固化上下蒙皮，再用膠黏劑將上下蒙皮和蜂窩芯膠接成為一體。共固化和膠接不同之處在於上下蒙皮鋪疊完成後不進行固化，而是組合成夾芯結構後同時固化。相對於膠接成型，共固化成型工藝步驟簡單，工序少，生產效率高， 生產成本低。但由於蒙皮未固化，共固化成型工藝需要的成型壓力較大，成型過程中也會產生面板纖維屈曲，樹脂堆積等問題[10]，見圖2和圖3。

圖2 共固化樹脂堆積和纖維屈曲示意圖

圖3 共固化夾芯複合材料下蒙皮

　　共固化工藝和膠接工藝成型的夾芯複合材料構件的力學性能有什麼區別[11~12]？共固化過程中纖維屈曲和樹脂堆積等問題對蒙皮的力學性能有何影響？

1 實驗部分

1.1 原材料及設備

　　CF3031/BA9916-II織物預浸料：含膠量為38±2%，單層厚度為0.23mm，樹脂體系為高溫固化環氧樹脂；CCF300/BA9916-Ⅱ預浸料：含膠量為33±2%，單層厚度為0.125mm，樹脂體系為高溫固化環氧樹脂；Nomex蜂窩：規格52-48，高度10mm，平壓強度≥1.48MPa，縱向剪切≥0.89MPa，剪切模量37.8 MPa，橫向剪切≥0.53MPa，剪切模量22.8 MPa；J116A膠膜：常溫(23℃)板-板剝離強度≥7.5KN/m，剪切強度≥35MPa。

　　INSTRON5567電子萬能材料試驗機；熱壓罐：型號XLG-1*2.3，最大壓力為1.0 MPa；複合材料超聲檢測儀：型號S316013。

1.2 試件的製備

　　鋪層設計：上、下蒙皮為2層CF3031/BA9916-Ⅱ和1層CCF300/BA9916-Ⅱ預浸料鋪疊，鋪層角度均為：[45//0/45]。

　　試驗件結構為下蒙皮+J116A膠膜+10mm高的52-48Nomex蜂窩+J116A膠膜+上蒙皮。

　　試驗分為兩類試驗：一種製作夾層結構試驗件，一種製作單獨蒙皮試驗件。每一類試驗都要求至少測量有6個有效數據，並計算得平均值，文章中的力學性能數據均為平均值。

　　製作夾層結構按成型工藝分為二次膠接成型和共固化成型。二次膠接成型的夾芯結構的複合材料製件蒙皮先固化。上蒙皮和下蒙皮固化後，按下蒙皮+膠膜+蜂窩+膠膜+上蒙皮的鋪放順序二次膠接。共固化成型的夾心結構的複合材料製件按下蒙皮+膠膜+蜂窩+膠膜+上蒙皮的順序直接進行共固化。

　　製作單獨蒙皮試驗件按成型工藝分為共固化成型的蒙皮和二次膠接成型的蒙皮。共固化成型蒙皮由下蒙皮+隔離層+膠膜+蜂窩，按蜂窩件共固化工藝製成。二次膠接成型的蒙皮直接按平板件固化。

1.3 性能測試

　　對不同工藝成型的夾芯結構蒙皮進行拉伸試驗、彎曲試驗；對不同工藝成型的夾芯結構的複合材料製件夾層彎曲試驗，所對應的試驗件標準為：

　　拉伸試驗按ASTM D3039測試，試驗件如圖4A所示；

　　彎曲試驗按ASTM D790測試，跨距25mm，要求有印痕面受壓，試驗件如圖4B所示；

　　夾層長梁彎曲試驗按GB/T 1456-2005，跨距500mm，要求下蒙皮受壓，試驗件如圖4C所示。

圖4 各種性能測試照片

2 結果與討論

　　根據成型工藝不同，進行兩組試驗：A：採用共固化成型夾芯複合材料構件，B：採用二次膠接成型夾芯複合材料結構。成型時工藝條件相同0.45MPa，180℃，3h。得到的力學性能如表2所示。

表2 不同工藝下夾芯結構複合材料的力學性能

　　從上表可以看出來，在同樣材料、同樣鋪層和同樣固化工藝條件採用共固化成型的下蒙皮比直接固化的層合板的拉伸強度和模量下降30%和22%左右，彎曲強度和模量下降了28%和40%左右。可以看出，採用共固化工藝蒙皮的力學性能比直接固化蒙皮的力學性能要低，主要是因為由於蜂窩的存在，共固化工藝使得蒙皮在固化過程中壓力不均，造成蒙皮纖維屈曲，導致其力學性能下降。因此，採用共固化成型的夾層結構蒙皮比同樣材料、同樣鋪層、同樣固化工藝條件下採用二次膠接成型的夾層結構蒙皮力學性能低。

　　但是，在同樣材料、同樣鋪層和同樣固化工藝條件採用共固化成型的夾芯結構的長梁彎曲強度比二次膠接成型的夾層長梁彎曲強度提高了20%左右。可以看出，採用共固化成型的夾芯結構由於蒙皮未固化，在成型固化過程中，隨著溫度的升高，預浸料中的樹脂逐漸流動起來，一部分樹脂基體會流向膠膜中，與膠膜融合，並且爬升到蜂窩孔壁上，形成膠瘤，如圖5的金相圖所示。這樣樹脂與膠膜的融合，並爬升到蜂窩孔壁上的結果導致了蒙皮與蜂窩膠接強度增大，膠接性能高，使得共固化成型的夾層結構的彎曲強度比二次膠接成型的夾層結構的彎曲強度高。因此，採用共固化成型的夾層結構比同樣材料、同樣鋪層、同樣固化工藝條件下採用二次膠接成型的夾層結構的膠接強度高。

圖5 共固化成型的夾層結構金相圖

　　以上實驗可以看出：共固化成型的夾芯結構相對於二次膠接成型的夾芯結構膠接強度高，但是蒙皮力學性能有所下降，並且二者之間的差距特別大，因此考慮事先對蒙皮進行預處理，然後再進行共固化成型夾芯結構，是否會得到比較好的結果。對此做了三組試驗：在0.6MPa下，分別在70℃、115℃、135℃下對蒙皮進行預先處理，然後再按共固化成型工藝製備單獨蒙皮和夾芯結構。對得到的蒙皮和夾芯結構做相應的力學性能測試，得到的力學性能數據如表3所示。

表3 不同預處理溫度下夾芯結構的力學性能

　　由上表可以看出來，預處理工藝不同，蒙皮力學性能和夾芯結構的力學性能有較大的區別。這樣可以結合之前的兩組數據進行分析（如圖6所示）。

圖6 力學性能對比圖

　　在試驗範圍內，通過處理後的蒙皮相對於未處理的蒙皮，蒙皮拉伸性能普遍提高，而且隨著處理溫度的升高，性能相應增加。這是因為拉伸性能主要是纖維來提供，預處理後，纖維相對平直，拉伸性能也相對較高。說明經過不同溫度預處理後，蒙皮已經具有溫度相對應的強度，再進行共固化成型後，蒙皮中的纖維隨著處理溫度的升高越接近平直。

　　經115℃和135℃處理後的夾層彎曲性能和二次膠接夾層彎曲接近，說明經過較高溫度處理後，蒙皮在共固化的時候，纖維屈曲的現象明顯減少，已經接近蒙皮單獨固化後的性能。經過70℃處理後的夾層長梁彎曲性能與直接進行共固化成型的夾層長梁彎曲性能相差不大，說明經過70℃處理後，蒙皮還沒有具有一定的強度，共固化成型時樹脂的流動度還很高，膠接強度相應也較高。

　　從以上的分析討論中可以得出，雖然採用共固化工藝成型蜂窩夾層結構時蒙皮力學性能有所下降，但是蒙皮與蜂窩之間的膠接強度提高了，因此可採用共固化工藝成型蜂窩夾層結構。為了得到比較好的蒙皮質量，共固化成型時可先對蒙皮進行預處理，預處理溫度不能太高而影響膠接強度，這可根據具體的材料、工藝進行預先研究，選擇比較好的預處理溫度和壓力來保證夾芯結構既具有較好的蒙皮力學性能，又能保證較高的膠接強度。

3 結論

　　本文針對現在蜂窩夾層結構主要的成型工藝，分別做了試驗研究，通過比較共固化狀態下蜂窩夾層結構蒙皮與夾層結構與在相同固化工藝條件下二次膠接成型蒙皮和夾層結構的力學性能，雖然採用共固化工藝成型蜂窩夾層結構時蒙皮力學性能有所下降，但是蒙皮與蜂窩之間的膠接強度提高了，得出了可採用共固化成型工藝製造用於的蜂窩夾層結構複合材料的結論,從而在結構材料性能滿足設計要求的前提下,充分發揮了蜂窩夾層結構共固化成型工藝所具有的成型過程簡單、製成品整體性好和重量輕等優點。

參考文獻

[1] 趙渠森.先進複合材料手冊[M]. 北京:機械工業出版社, 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] 張廣平.複合材料夾心板及其應用.纖維複合材料, 2000,(2) : 25-27.

[4] 梁濱.蜂窩夾層結構面板膠粘劑的研究.中國膠粘劑, 2000(5): 11-13.

[5] 韋生文. A型夾芯複合材料在地面雷達天線罩中的應用.纖維複合材料, 2005(2): 19-21.

[6] 張華,姜健,祖火水,等.蜂窩夾層結構天線罩用中溫材料體系性能研究.第三屆全國複合材料學術會議論文集,2004:537-540．

[7] 鄒國發,萬建平,王再玉,等.單臂梁複合材料全高度雙曲面蜂窩夾層結構水平尾翼的研製.宇航材料工藝,2007,3:32-34.

[8] 韋生文. A型夾芯複合材料在地面雷達天線罩中的應用[J], 纖維複合材料, 2005(2): 19-21.

[9] 原崇新,李敏,顧軼卓.蜂窩夾層結構真空袋共固化工藝過程實驗研究.複合材料學報.2008.25(2):57~62.

[10] 畢紅艷,段友社,陳永清，等.複合材料蜂窩夾層結構的共固化成型工藝研究.第17屆全國複合材料學術會議論文.2012.670-674.

[11] 張廣成等.蜂窩夾層結構複合材料的力學性能研究[J]. 機械科學與技術, 2003.22(2):280~282.

[12] 趙鵬飛,趙景麗,何穎.共固化成型無人機用複合材料/蜂窩夾層結構面板的性能.玻璃鋼/複合材料.2009.1.62~64.

本文作者擁有完整著作權，知識產權歸作者所有先進材料和工藝技術型社團全球48個專業分會、61個學生分會高性能複合材料行業技術交流與產業合作平台國際先進材料與工藝技術學會微信號：sampechina百度搜索「SAMPE北京分會」聯繫電話：010-66095094合作信箱：sampemarket@126.com
推薦閱讀：