热压罐成型加筋板L形筋条纤维密实影响因素研究

王雪明， 谢富原， 李 敏， 张佐光

(1.北京航空制造工程研究所，北京 100024;2.北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100191）

热压罐成型加筋板L形筋条纤维密实影响因素研究

王雪明1，2， 谢富原1， 李 敏2， 张佐光2

(1.北京航空制造工程研究所，北京 100024;2.北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100191）

采用胶接共固化整体成型工艺制备了L形筋条，研究了模具配合、填充料、曲率半径、吸胶工艺等因素对L形筋条纤维密实和制造缺陷的影响规律，分析了缺陷形成机制。结果表明:厚度不均、架桥、富脂是L形筋条中存在的主要缺陷;采用软模辅助成型和加入适量填充料可改善筋条拐角区的压力分布，增大曲率半径和采用预吸胶工艺可降低拐角效应，从而可有效提高筋条纤维密实程度。

复合材料;热压罐;加筋板;曲率半径;纤维密实

曲率作为一种基本的结构要素，广泛存在于航空复合材料结构件中。由于弧形结构因素，热压成型过程中的压力传递方式和温度分布规律与等厚层板有所不同，易引起压力分布不均，树脂发生多维流动，同时拐角区还会产生因剪切变形引起拐角效应。因此，关于L形层板制备过程中缺陷形成机制与控制方法引起了国内外众多学者的关注，分别从数值模拟和实验研究的角度进行了研究。Hubert［1，2］，Li Min［3］，李艳霞［4］分别模拟了固化后 L 形构件的密实和变形情况，指出拐角区纤维层的剪切模量不可忽略，同时必须考虑渗流机制与剪切流机制之间的耦合作用。Hubert［5］等人通过实验考查了模具形式(阳模、阴模）、铺层方式、树脂黏度、吸胶方式对L形层板密实的影响，常文［6］、Malak［7，8］分别就 L 形层板的结构因素(曲率半径、铺层方式、平板长度等）和工艺制度对L形层板纤维密实的影响进行了实验研究。上述研究多侧重于对单一L形层板固化成型的研究，而对于整体成型工艺中L形层板的研究报道较少。

T形加筋板就是一个典型的整体结构，由两个L形筋条、填充料和蒙皮组成的，多采用共固化、胶接共固化和二次胶接三种整体工艺来制备。在胶接共固化成型工艺中，相对于已固化的蒙皮，L形筋条的密实质量直接影响着T形加筋板的成型质量。前期研究结果表明，整体成型过程中L形筋条型面内压力分布不均，引起树脂发生复杂的多维流动［9］。因此，L形筋条的密实程度除了受结构与工艺因素影响外，还受到模具组合、填充料、吸胶工艺等加筋板整体成型时“特有因素”的影响。

本工作采取T形加筋板的模具组合方式(以反映其传压方式）单独成型L形筋条，系统研究了模具组合、填充料、吸胶工艺等因素对L形筋条纤维密实的影响。

1 实验部分

1.1 实验原材料及仪器设备

原材料:碳纤维/双马树脂热熔法预浸料，含胶量31%～35%(质量分数），北京航空制造工程研究所;辅助材料(Airpad橡胶、四氟布、A4000脱模布、透气毡、真空袋），美国Air Tech公司。

设备:热压罐，北京航空制造工程研究所;不同曲率半径(R=1.5mm，5mm，7mm，9mm）L 形钢模和软模，自制;BX51M光学数码金相显微镜，日本O-lympus;Sisc IAS图像采集系统，北京中科科仪计算技术有限责任公司。

1.2 实验方法

对T形加筋板中的两个L形筋条分别在模具上铺覆、封装后再按照T形加筋板的方式组装在一起，如图1所示。筋条铺层方式为多向铺层(［-45/0/45/90/-45/0/90/0/45/90/-45/0/45］）。在热压罐中对筋条固化成型，从室温时抽真空加热到110℃并恒温10min，加压0.6MPa，再升温至185℃并恒温3h，降温至70℃卸压停真空，升降温速率1.5℃/min。采用两种模具配合方案(硬模/硬模、硬模/软模），模具的设计与选择详见文献［9］。

厚度分布是树脂流动和纤维密实的结果，本工作用厚度分布来表征筋条的纤维密实程度。厚度分布的测量位置如图2所示，该图为所选区域的截面图，按照图中所标的位置点，测量P1～P15共15个位置的厚度，各点间距l=10mm，P1～P4对应的是突缘厚度，P5代表拐角区最厚处的厚度，P6～P15表示腹板面厚度。各点厚度值均由精度为±0.01mm的千分尺测得。

固化成型后，采用超声A扫描对L形筋条进行无损检测，根据波形特征确定缺陷类型，并采用金相显微镜对筋条拐角进行形貌观察。

2 结果与讨论

2.1 模具类型的影响

不同模具类型成型T形加筋板时的筋条型面内压力分布规律有所不同［9］，这必将对加筋板的成型质量产生影响。本工作考查了硬模/L形软模模具组合对L形筋条纤维密实的影响，R=5mm，拐角区无填充料，成型后两模具下L形筋条各部分厚度如图3所示。

图3 模具类型对L形筋条厚度的影响 注:横坐标从左到右依次对应图2中的P1～P15的位置Fig.3 Effect of tools on stiffener thickness Note:The abscissa corresponding to the position from P1 to P15 in Fig.2.

由图3可见，L形筋条拐角部分最厚，突缘和腹板部分较薄，厚度曲线呈现形，这与阴模成型L形层板的密实规律相同［6］。由于成型过程中筋条型面内压力分布不均，拐角区压力小于两侧所受压力［9］;从树脂流动角度分析，不同压力分布导致树脂压力不同，拐角区树脂压力较小导致树脂有从拐角区两侧向拐角区流动的趋势，以及含曲率构件热压成型过程中密实过程存在渗流机制与剪切流机制的耦合作用。

此外，从图3还可以发现，采用不同模具类型成型时，L形筋条的密实程度不同，靠近硬模侧的L形筋条拐角密实程度最差，出现明显架桥和富脂缺陷(图4a），而靠近软模侧筋条拐角密实相对改善很多(图4b）。这主要是由于硬模和软模的传压特性不同引起的，由于硬模刚度很大，变形能力很差，压力很难传递到拐角区，从而容易引起拐角纤维架桥，树脂在压力差作用下从拐角两侧流向拐角区，引起富脂缺陷。相对而言，软模具有较好的变形能力，成型过程中与筋条密实时的贴合性较好，可保证压力施加到拐角区，纤维密实程度较好。

2.2 填充料的影响

加筋板结构的成型质量除了受模具类型的影响外，拐角区填充料的影响也不可忽视。为消除筋条拐角区与蒙皮间的“空洞”，加筋板结构的填充区通常填充的是胶模或与成型构件相同的单向带预浸料。本工作选用碳纤维/双马树脂单向带作为填充料，设计了L形筋条拐角区有无填充料的对比实验，采用硬模/硬模组合方案，曲率半径R=5mm。成型后筋条各部分厚度如图5所示。

图4 L形筋条拐角区形貌图 (a）硬模;(b）软模Fig.4 Micrograph of corner section in L-shaped stiffeners(a）molding by rigid tools;(b）molding by flexible tools

图5 填充料对L形筋条厚度的影响 注:横坐标从左到右依次对应图2中的P1～P15的位置Fig.5 Effect of fillers on stiffener thickness Note:The abscissa corresponding to the position from P1 to P15 in Fig.2.

由图5可见，拐角区的填充料会明显影响L形筋条的密实程度，尤其对拐角区的厚度影响程度最大。腹板和突缘厚度在无填充料时比加入填充料后薄，而拐角厚度比加入填充料约厚26%，因此，加入填充料后，筋条的拐角更易密实，整体厚度均匀性程度提高。主要原因在于填充料显著影响树脂的面内流动，当填充区无填充料时，树脂在压力差作用下更易从突缘和腹板的面内流动的树脂汇集到填充区形成富脂缺陷(图6a），导致拐角厚度增大，而拐角两侧厚度减小。加入填充料后，两个L形筋条间的“空洞”得以消除，成型时填充料也会反作用于筋条，不会因硬模变形能力差而压力无法施加到筋条拐角区，拐角区的压力增大，面内方向的压力差减小，从而面内流动流向拐角区的树脂减少，富脂现象逐渐消除(图6b），筋条整体厚度趋于均匀。

图6 L形筋条拐角区形貌图 (a）无填充料;(b）有填充料Fig.6 Micrograph of corner section in stiffeners (a）stiffener core with no fillers;(b）stiffener core with fillers

2.3 曲率半径的影响

曲率半径是复合材料构件中的重要设计参数，曲率半径变化后，拐角区弧形部分的长度不同，引起曲率突变的程度不同。此外，在材料体系、工艺制度一致的情况下，纤维密实主要受成型压力的影响，而曲率半径对压力传递是有影响的，从而影响成型过程纤维的密实和树脂的流动［9］。本工作考查了曲率半径对L形筋条纤维密实的影响，采用硬模/L形软模模具组合方案，拐角区无填充料。不同曲率半径L形筋条各部分平均厚度如图7所示。图中筋条序号1-1，1-2所对应的L形筋条来自同一对模具组合(R=5mm），1-1表示靠近软模侧筋条，1-2表示靠近硬模侧筋条，其余筋条序号依次类推。

图7 曲率半径对L形筋条厚度的影响Fig.7 Effect of curvature radius on stiffener thickness

L形层板密实过程中层板内外表面面积变化的不一致性，从而引起明显的拐角效应，随着曲率半径的增大，拐角效应减小［10］。由图7可见，无论是靠近硬模侧的筋条还是靠近软模侧的筋条，拐角厚度均随着曲率半径的增大而有所降低，腹板和突缘厚度变化不大，筋条整体厚度均匀性增大。在硬模/L形软模的组合中，由于软模传压性好，随着曲率半径的增大，拐角区的压力有所增大［9］，从而致使拐角区的树脂压力增大，拐角效应减小，密实程度提高。

2.4 吸胶工艺的影响

实际热压罐成型工艺中，吸胶工艺有多种方式，其中预吸胶工艺和固化吸胶工艺较为常用。在预吸胶工艺中，制件首先在不使树脂发生明显固化反应的温度下预成型，以消除铺叠过程中的夹杂空气和吸湿水，并保证制件的尺寸;然后降温去除吸胶材料，再进行高温固化。在固化吸胶工艺中，制件的吸胶过程与固化成型过程是连续进行的，吸胶材料在固化结束后再去除。本工作对比研究了预吸胶和固化吸胶两种工艺对L形筋条纤维密实的影响，拐角区无填充料，硬模/L形软模组合方案。筋条成型后各部分平均厚度如图8所示，图中筋条序号1-1，1-2所对应的L形筋条采用预吸胶工艺且来自同一对模具组合(R=1.5 mm），2-1，2-2所对应的L形筋条采用固化吸胶工艺且来自同一对模具组合(R=7mm）。由图8可见，固化吸胶工艺的拐角厚度比预吸胶工艺的拐角厚度约厚10%，密实程度稍差，拐角区有明显的富脂和架桥缺陷(图9a），同时还有孔隙缺陷。而在预吸胶工艺中，尽管拐角曲率半径较小且拐角效应较大，但拐角区的密实程度较固化吸胶工艺仍改善很多，无富脂和孔隙缺陷(图9b）。这主要是由于在这两种吸胶工艺下，压力传递状况和密实过程会有一定差异，从而影响着固化制件的缺陷情况。

图8 吸胶工艺对L形筋条厚度的影响Fig.8 Effect of bleeding process on stiffener thickness

预吸胶工艺中，层板的密实主要发生在温度较低的成型阶段，树脂黏度高，密实速率慢，根据Gutowski提出的渐进式密实理论［11］，厚度方向树脂在压力差作用下流入吸胶层，去除吸胶材料进入固化阶段后，可以认为铺层基本不发生密实运动;而固化吸胶工艺中，层板的密实过程包括低温和高温两个阶段，尤其在高温阶段，树脂黏度低，密实速率快，传压的均匀性和模具与铺层的贴合性更难保证，因此拐角效应导致的厚度分布不均匀现象也就更为明显。所以，该对比实验充分说明了预吸胶工艺密实过程的特点有利于拐角效应的抑制，使得压力分布更为均匀，模具与铺层贴合性更好，富脂、孔隙等缺陷不易形成，但固化时间相对较长，工艺操作更复杂。

图9 L形筋条拐角区形貌图 (a）固化吸胶工艺;(b）预吸胶工艺Fig.9 Micrograph of corner section in stiffeners (a）bleeding process;(b）pre-bleeding process

3 结论

(1）模具类型、填充料用量是复合材料加筋板结构成型过程中纤维密实和制造缺陷较为敏感的影响因素;采用软模辅助成型，同时在拐角区加入适量填充料可明显提高筋条拐角的密实程度，可有效消除拐角区的架桥和富脂等制造缺陷。

(2）L形筋条曲率半径不同，引起的拐角效应不同，随着曲率半径的增大，拐角效应减小，纤维密实程度提高。

(3）预吸胶工艺有利于拐角效应的抑制，使得压力分布更为均匀，模具与铺层贴合性更好，富脂、孔隙等缺陷不易形成。

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Experimental Research on Fiber Compaction of L-shaped Stiffeners in Stiffened Skins by Autoclave Process

WANG Xue-ming1，2， XIE Fu-yuan1， LI Min2， ZHANG Zuo-guang2
(1.Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China;2.School of Material Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

L-shaped stiffeners were fabricated by integral co-bonding technique in the autoclave.This study focused on investigating the influence of tool assembly，filler，curvature radius and bleeding process on the fiber compaction and manufacturing defects of L-shaped stiffeners，with analyzing the formation mechanism of these defects.The results indicated that non-uniform thickness，bridging and rich resin were the main defects of L-shaped stiffeners.The fiber compaction was improved significantly on the condition that the pressure in corner section was increased by applying flexible tools and rolling unidirectional prepregs as fillers into the stiffener core，and that the corner effect was remarkably caused a decrease by increasing curvature radius and applying pre-bleeding process.All these results are the vital importance for declaring the formation mechanism of defects and enhancing integral manufacturing quality of composite stiffened skins.

composites;autoclave;stiffened skins;curvature radius;fiber compaction

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.4.012

TB332

A

1005-5053(2011）04-0064-05

2010-09-15;

2010-10-28

国家863项目(2006AA03Z556）

王雪明(1977—），男，博士，工程师，主要从事先进树脂基复合材料方面的研究，(E-mail）wtj1998@mse.buaa.edu.cn。