炭纤维复合材料共固化液体成型工艺及层间性能研究

王 炯，李 敏，顾轶卓，王绍凯，张佐光

（北京航空航天大学 空天材料与服役教育部重点实验室，北京 100191）

共固化液体成型工艺［1，2］是一种新型的复合材料低成本制造方法，其原理是将预浸料铺层和干纤维预成型体组合在一起，将树脂注入干纤维预成体中，进一步使其与预浸料铺层一同固化形成一个整体，预浸料铺层主要用于凸台、连接部分等复杂结构，干纤维预成型体用于蒙皮结构。该工艺可以通过改变预浸料铺层、干纤维预成型体的结构制造复杂形状构件，可以大幅度减少零件、紧固件的数量和装配工序，并且简化了模具设计和树脂充模过程，从而降低了制造成本，减轻了制件质量。此外，预浸料铺层和干纤维预成型体所用的纤维可以根据要求选择不同种类和织构形式，从而灵活地设计制件的性能。共固化液体成型工艺最早由美国的Northrop Grumman公司提出，并在美国国防部主持的CAI低成本计划中得以发展，并用于飞机承力结构，被证明是一种极具发展前途的复合材料低成本整体成型制造技术。

在共固化液体成型工艺中采用了两种树脂体系，即预浸料用树脂和液体成型用树脂，而对于同时采用多种树脂作为复合材料基体的情况，不同树脂体系之间性能的匹配需要重点关注。国内外对共注射RTM工艺［3－6］（采用两种及两种以上的液体成型用树脂同时注入模具并浸渍纤维）的成型过程和材料性能匹配性进行了研究，但共固化液体成型工艺鲜见报道，亟待开展相关的材料和工艺研究。

本工作采用共固化液体成型工艺，制备了炭纤维复合材料层板，分析了预浸料铺层和液体成型层的复合过程，并通过Ⅰ型层间断裂韧性（GⅠC）和层间剪切性能研究了预浸料／液体成型层的界面性能和纤维取向对界面性能的影响，研究结果对于该类复合材料的铺层设计和性能评价具有指导意义。

1 实验材料及方法

1.1 原材料与设备

原材料：单向炭纤维／环氧树脂预浸料，树脂质量分数38%，固化制度为130℃×2h，固化后Tg为116℃；炭纤维三轴向织物［0／45／90］，面密度417g／m2；双酚A型环氧树脂，无锡树脂厂；改性多元胺固化剂，自制。

设备：力学试验机，Instron 5565－5kN；扫描电子显微镜，Apllo 300；光学数码金相显微镜，BX51M；流变仪，GEMINI－200。

1.2 实验方法

1.2.1 复合材料层板的制备

预浸料真空袋成型：将裁好的预浸料按顺序铺层和预压实，真空袋封装后在烘箱内抽真空加热130℃固化2h。层板共24层，铺层方式为［（45／90／－45／0）3／（0／45／90／－45）3］，层板尺寸为270mm ×200mm，固化后厚度3.33mm。

真空灌注工艺：将裁好的炭纤维多轴向织物按顺序铺层，铺覆导流网等辅助材料并用真空袋封装，60℃下抽真空灌注树脂，灌注完毕后保持真空压放入烘箱加热130℃固化2h。层板由8层三轴向织物组成，铺层方式为［（45／90／－45）／（0／45／90）／（－45／0／45）／（90／－45／0）／（0／45／90）／（－45／0／45）／（90／－45／0）／（45／90／－45）］，层板尺寸为270mm×200mm，固化后厚度3.43mm。

共固化液体成型工艺：如图1所示，设计预浸料层和液体成型层的厚度相等，将12层预浸料铺层、4层三轴向织物的液体成型层铺叠作为预成型体，预浸料铺层位于液体成型层下方。在液体成型层上方铺覆导流网等辅助材料后用真空袋封装，并抽真空压实纤维。然后在60℃下灌注树脂，树脂沿导流网对多轴向织物浸渍，灌注结束后保持真空压将模具放入烘箱加热130℃固化2h。共固化液体成型层板尺寸为270mm×200mm，固化后厚度3.36mm。

图1 共固化液体成型工艺示意图Fig.1 Schematic of co－cured liquid composite molding

为了考察纤维取向对预浸料／液体成型层界面性能的影响，制备了不同铺层方式的层板，其中预浸料层为准各向铺层，预浸料／液体成型层界面处的预浸料纤维取向角度与多轴向织物的纤维取向角度见表1，由左至右依次为预浸料层和液体成型层。

表1 预浸料／液体成型层界面处的纤维取向Table 1 Fiber orientation at interface between prepreg part and liquid composite molding part

1.2.2 力学性能测试

成型层板前，用0.03mm厚的聚四氟乙烯薄膜（Teflon film）作为预埋物放置于液体成型层和预浸料层之间（层板厚度的中间位置），用于制造起始分层，见图1。固化后切割试样，尺寸为150mm×25mm，预埋物形成的有效分层长度为50mm。按照ASTM D 5528测试GⅠC，如图2所示，横梁位移速率为1mm／min。

根据加载至预埋物末端时的载荷和位移计算临界GⅠC，此时分层长度a＝50mm。卸载后第二次加载记录扩展至不同裂纹长度时的载荷和位移并计算扩展GⅠC，裂纹扩展如图3所示。

图2 Ⅰ型断裂韧性测试过程（a）裂纹未扩展；（b）裂纹扩展；（c）裂纹扩展至末端Fig.2 Process of mode－Ⅰinterlaminar fracture test（a）before crack growth；（b）crack growth；（c）crack growth to the end

图3 Ⅰ型断裂韧性试样示意图Fig.3 Schematic of mode－Ⅰinterlaminar fracture specimen

随着裂纹扩展，试样会呈现出典型的阻抗式断裂行为，计算的扩展GⅠC开始单调递增而后随着分层扩展趋于稳定，随分层长度变化的GⅠC的曲线，称为R阻抗曲线，用以表征试样的分层起始与扩展的能量释放率的变化。

在没有夹杂聚四氟乙烯薄膜的层板区域取样，试样尺寸为25mm×6mm，按JC／T 773—82（96）测试短梁抗剪强度。

1.2.3 显微观察

对固化的层板选典型位置取样，打磨、抛光后在光学数码金相显微镜下观测层板内部树脂、纤维分布及缺陷状况。

取层间断裂韧性测试后的试样，置于扫描电子显微镜下观察裂纹扩展面纤维与树脂的黏结情况。

2 结果与讨论

2.1 共固化液体成型工艺分析

为了分析共固化液体成型工艺的特点，本工作将其与预浸料成型层板和液体成型层板进行比较，研究了纤维分布与树脂流动的情况。

由图4中的显微照片可以看到，共固化液体成型层板的预浸料层内和多轴向织物层内的纤维排列紧密，预浸料／液体成型层的层间富树脂区（图4（c）线框内的层间）没有预浸料成型层板的明显，而与液体成型层板的情况相近，同时层板内的缺陷较少，表明共固化液体成型工艺中，树脂浸润和流动充分，层板的密实质量较好，同时也说明两种树脂的工艺性匹配良好。

图4 层板的显微照片（a）预浸料层板；（b）液体成型层板；（c）共固化液体成型层板Fig.4 Micrographs of laminates（a）prepreg laminate；（b）fabric laminate processed by LCM；（c）laminate processed by co－cured LCM

根据图5的升温黏度曲线，液体成型用树脂有较长的低黏度区间，在注射温度60℃时树脂黏度为0.15Pa·s，此温度下预浸料树脂黏度为10Pa·s左右，相差2个数量级。在树脂灌注过程中，预浸料／液体成型层的界面处两种树脂会发生相互的扩散和融合，但由于预浸料用树脂的黏度较大，纤维排列也比较紧密，可以认为树脂的相互扩散主要限于预浸料层和液体成型层交界处的层间位置。

图5 液体成型树脂的升温黏度曲线Fig.5 Viscosity vs temperature of resin of LCM

2.2 共固化液体成型层板的层间性能分析

共固化液体成型层板中预浸料／液体成型层的层间界面是其特有的结构，本工作采用Ⅰ型层间断裂韧性评价此处的层间抗损伤性能，并与预浸料成型层板和液体成型层板进行比较。

分层处两层纤维取向为［0／0］的情况下，不同工艺制备的复合材料层板的GⅠC值如图6所示。可以看到，对于分层长度a＝50mm时的临界GⅠC值，液体成型层板的GⅠC值最大，预浸料成型层板的GⅠC值较小，共固化液体成型层板的GⅠC与预浸料层板相当。由于聚四氟乙烯薄膜是不透胶材料，如图1所示，共固化液体成型时，预埋物的区域没有两种树脂的相互扩散，因此对于分层扩展至预埋物长度的共固化层板临界GⅠC值由抗裂纹扩展能力较弱的一方决定。

随着分层长度的增加，共固化液体成型的GⅠC值处于预浸料层板和液体成型层板的GⅠC值之间，这是因为分层长度大于50mm的区域没有夹杂预埋物，预浸料／液体成型层的界面存在两种树脂的扩散和融合，其裂纹扩展能量释放率受到两种树脂性能的综合影响，处于预浸料层板和液体成型层板GⅠC值的中间水平。

图6 不同复合材料层板的分层阻抗曲线Fig.6 Delamination resistance curves of different laminates

图7给出了GⅠC分层断面形貌SEM照片，对于预浸料成型层板，纤维表面光滑，有少量树脂黏附，说明树脂／纤维黏结较弱；对于液体成型层板，纤维表面比较粗糙，有大量树脂黏附，说明树脂／纤维黏结较强。

图7 LCM和预浸料层板的分层断面形貌 （a）预浸料层板；（b）液体成型层板Fig.7 Fracture morphology at delaminate area of LCM and prepreg laminates（a）prepreg laminate；（b）LCM laminate

图8是共固化液体成型层板的GⅠC分层断面形貌SEM照片，在预浸料分层面，纤维表面比较光滑，有较少树脂黏附，在液体成型织物的分层面，纤维被树脂包覆，裂纹扩展使得树脂有大量河流状花样。这间接说明成型过程中预浸料／液体成型层界面处两种树脂的相互扩散程度较小，扩散存在于层间没有渗透到层内，因此其分层后两侧的形貌差异较大，这与2.1中的分析是一致的。

进一步通过短梁抗剪强度分析不同复合材料层板的层间性能，见图9。共固化层板的短梁抗剪强度与液体成型层板相近，低于预浸料层板，即短梁抗剪强度由性能较弱的材料体系决定。另外，三种层板的层剪破坏模式一致，试样中心首先破坏发生分层，随着加载分层向外扩展并会穿过层间，并倾向于沿0°铺层方向扩展，最终分层多在0°铺层与其上方铺层之间。

图8 共固化液体成型层板的分层断面形貌 （a）预浸料层；（b）液体成型层Fig.8 Fracture morphology at delaminate area of co－cured LCM laminate（a）prepreg layer；（b）LCM layer

图9 不同复合材料层板的断裂抗剪强度Fig.9 Short beam shear strength results for different composite laminates

2.3 界面处纤维取向对GⅠC的影响

分层是复合材料层板的主要损伤模式，许多学者研究了不同铺层下层板的层间断裂韧性，探讨了纤维取向对层间断裂韧性的影响［7－10］。对共固化液体成型层板，预浸料／液体成型层界面处的纤维取向角度可以作为铺层设计的参量，并且由于共固化层板在材料和结构上具有特殊性，纤维取向对层间性能的影响规律可能与传统的层合板不同。因此本研究通过测试不同铺层方式的共固化液体成型层板的Ⅰ型层间断裂韧性，分析了预浸料／液体成型层界面处纤维取向角度对层间性能的影响，纤维取向角度的设计见表1。

不同纤维取向角度下，共固化液体成型层板的临界GⅠC如图10所示。预浸料／液体成型层的界面处预浸料纤维方向均为45°时，可以看到纤维取向为［45／0］，［45／90］的层板GⅠC值较高，即铺层相差45°时有着更高的临界GⅠC值；预浸料／液体成型层的界面处液体成型层纤维方向均为0°时，比较纤维取向为［0／0］和［45／0］的层板，铺层相差45°时有着更高的GⅠC值。因此预浸料／液体成型层界面处的纤维取向相差45°比同向铺层有更高的抵抗开裂的能力。

图10 共固化LCM工艺不同纤维取向的临界GⅠC值Fig.10 Critical GⅠCvalues of laminates by co－cured LCM with different fiber orientation

不同纤维取向角度下，共固化液体成型层板的分层阻抗曲线如图11所示，可以看到，分层长度在55～65mm范围内，纤维取向［0／0］的GⅠC值最低，［45／0］，［45／45］，［45／90］层板的GⅠC值相当。分层长度大于65mm后，［45／45］，［45／90］层板的GⅠC值已趋于一恒定值，［45／0］层板的能量释放率仍不断增大并明显超过了其他铺层。实验中发现分层长度大于65mm后，纤维取向［45／0］试样的测试中发生偏轴分层和不稳定扩展，使得GⅠC值偏大，不能再真实反映层间的抵抗裂纹扩展能力。总体上看，［45／90］有着更高的扩展GⅠC值，抵抗裂纹扩展能力更强。

图11 共固化LCM工艺不同纤维取向的分层阻抗曲线Fig.11 Delamination resistance curves of laminates by co－cured LCM with different fiber orientation

根据上述分析可以看出，纤维取向对共固化层板的层间断裂韧性影响很大，本实验范围内，［45／90］纤维取向的情况有着最大的临界GⅠC值和较大的扩展GⅠC值，即［45／90］层板有着较高的层间断裂韧性。

3 结论

（1）采用共固化液体成型工艺成型的层板层内纤维密实，层间富树脂区不明显，且缺陷较少，表明两种树脂的工艺性匹配良好；两种树脂在界面处发生了相互的扩散，但由于黏度差异大，扩散主要发生在层间而没有深入到层内。

（2）受预浸料／液体成型层界面处两种树脂扩散的影响，共固化层板的预浸料／液体成型层间的GⅠC值处于预浸料层板和液体成型层板的平均水平；共固化层板的短梁抗剪强度由短梁抗剪强度较小的一方决定。

（3）共固化层板的预浸料／液体成型层界面处的纤维取向对层间断裂韧性有着明显的影响，纤维取向相差45°比同向纤维铺层有更高的临界GⅠC值和扩展GⅠC值；实验范围内，纤维取向为［45／90］的层间断裂韧性最高。

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