真空辅助成形泡沫夹层复合材料粘接界面性能研究

孙薇薇

摘 要：夹层泡沫与复合材料整体VARI成型过程中，在界面上易产生弱粘接以及粘接不稳定现象。该文采用三种不同方法改善夹层泡沫与复合材料界面粘接性能，在夹层泡沫表面涂覆本体树脂，采用本体树脂制备胶膜铺放在夹层泡沫盒复合材料之间，在夹层泡沫与复合材料之间增加一层空隙率更大的织物。结果表明，三种方法均能改善夹层结构的界面，铺放胶膜对界面改善效果最佳，涂敷树脂效果相对最差。

关键词：复合材料 泡沫夹层 真空辅助成形 界面

中图分类号：V258 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-00-02

复合材料真空辅助成型工艺（VARI）是一种新型的低成本的复合材料大型制件技术，它是在真空状态下排除纤维增强体中的气体，通过树脂的流动渗透，实现对纤维及泡沫的浸渍固化。对于大尺寸、大厚度的复合材料飞机结构件，VARI是一种十分有效的成型方法[1-4]。

然而，对于泡沫夹芯结构，其具有和其他夹层结构相同的、不可避免的弱点，即表面夹芯区域的成型质量问题和面板与芯材之间的界面粘接性能。

两者容易对泡沫夹芯结构的性能造成很大影响，导致夹芯结构的抗剪切、抗剥离、抗平压、抗疲劳等性能较低。该文对夹芯材料的树脂流动性、增强材料的浸润情况及出现的各种内部和外部缺陷进行工艺探讨，并提出三种界面改善方法并进行了比较，对VARI成形泡沫夹层结构的制造具有一定的指导意义。

1 实验材料及方法

1.1 原材料

实验采用的增强材料为Sigmatex公司的碳纤维无皱褶布（NCF），265 gsm/±45 °/T300 12k - Aero/1270 mm，泡沫芯材为Evonik公司的PMI泡沫，Rohacell 71WF-HT，树脂为CYTEC公司的CYCOM890-RTM。

1.2 实验方法

实验采用VARI成形工艺制备了外观质量符合要求的夹层结构平板，如图1所示。该文采用反射法超声扫描检测与光学显微镜观察表征泡沫与复合材料的粘接界面性能（图1）。

1.3 泡沫与复合材料粘接性能改善方法

该文从两方面解决界面的胶接质量问题，一是控制界面附近树脂的流动，保证树脂能顺利填充泡沫单元，二是改善界面层增强材料的毛细作用。具体采用三种方法如下。

（1）在蒙皮增强材料与泡沫组装之前，在泡沫表面预先涂敷Cycom890树脂，使树脂预先填充泡沫单元。这种方法必须在组装后尽快注胶成型，否则在长时间放置过程或其他工艺实施过程（如预成型工艺）由于树脂自身的粘度仍然很低会导致涂敷的树脂被逐渐吸附到干的增强材料中，导致界面改善状况不可控。同时，树脂涂敷过程为手工作业，涂敷量和涂敷均匀性较差。例如，第一件上壁板工艺试验件即采用树脂涂敷工艺，经过预定型、缝合等诸多工序后，涂敷树脂被干NCF织物吸附，导致制件的泡沫界面仍然较差。

（2）由于树脂粘度低，容易产生第一种方法所述的问题，因此采用具有高粘度特性的胶粘剂胶膜（如SY-14）替代低粘度的树脂，将胶膜铺贴在泡沫表面然后与NCF织物组装，并预定型、注胶固化成型。

（3）针对NCF织物较为致密[5-7]，容易产生毛细现象，在泡沫与NCF织物之间铺放一层机织物（如缎纹织物CF3031）。由于机织物为纤维上下交错织造而成，每根纤维间和织造交错点都会存在相对较大空间，不会在注射工艺过程中形成连续大范围的毛细现象，从而能保证树脂能顺利泡沫单元。

2 实验结果与分析

2.1 未处理界面性能

未经任何处理泡沫与复合材料粘接界面的掃描结果如图2所示。扫描结果基本为红色，说明碳纤维复合材料蒙皮与泡沫芯材之间粘接质量很差。光学显微照片也说明了这一点，见图3。树脂基本没有浸入泡沫表面的加工开孔泡沫单元，从而使夹层复合材料的界面很差。其主要原因在于，Cycom890树脂在高温下的粘度太低，而NCF织物比较致密，导致在工艺过程中由于毛细作用，树脂很容易向NCF织物扩散，而不会向尺寸的泡沫单元（直径约300～500 μm）扩散并停留在泡沫单元中。

2.2 界面粘接改善结果

同时采用以上三种界面粘接改善方法制备一块泡沫夹层复合材料如图4所示。图5为经界面盖上处理后的反射法超声扫描结果。对比可发现，三种改进方案均能改善夹层结构的界面。同时，实验效果表明，铺放SY-14胶膜和CF3031试样的改善效果好于涂敷Cycom890树脂。

将上述试样解剖，采用晶相显微镜观察表明，三种试样的泡沫表面开口单元基本全部被树脂填充，说明复合材料的泡沫界面确实得到改善，如图6所示。

3 结语

采用三种不同方法对VARI成形泡沫夹层复合材料泡沫与复合材料粘接界面进行了改善，并得到以下结论：

三种方法对泡沫与复合材料粘接界面都起到很好的改善

效果；

相比在泡沫与复合材料界面事先铺覆一层胶膜对界面改善效果最为明显，且基本不影响结构性能；

在泡沫与复合材料之间加入一层空隙率更大的织物虽然对界面的改善效果好于在泡沫表面涂覆树脂，但对性能有一定影响。

参考文献

[1] Brouwer W D，van Herpt E C F C，Labordus M.Vacuum injection moulding for large structural applications[J].Composites：Part A，2003，34（6）：551-558.

[2] Brouwer WD，Herpt ECFC，Labordus M.Vacuum injection moulding for large structural applications[J].Compos A Appl Sci Manuf，2003，34（6）.

[3] 赵渠森，赵攀峰.真空辅助成型工艺（VARI）研究[J].纤维复合材料，2002（1）：42-46.

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