浅析硅橡胶软模对复合材料界面韧性的影响

蒋金隆　王海雷

摘 要：硅橡胶类模具已在复合材料制件的成型中有所应用，但此类模具对复合材料制件的影响尚不明确，文章通过钢琴铰链法分别对硅橡胶软模和刚性金属模成型的复合材料制件进行了层间性能测试，并采用修正的梁理论方法计算了试验件的层间断裂能量释放率，最后通过检验的方法推理得出采用硅橡胶软模作为成型模具对复合材料零件的GⅠ影响不显著。

关键词：复合材料；硅橡胶模具；层间性能

当前，复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一，复合材料制造技术已成为各国研发的热点。[1]复合材料产品的制造技术迥异于常规的金属材料，复合材料的成型通常要在模具中完成，在新材料成型的同时，也完成了最终结构（毛坯）的成型。[2]模具技术是先进复合材料发展的重要技术保障。成型模具决定了复合材料零件的结构、尺寸，保证了零件与其他结构件的装配关系，并且在很大程度上影响着制品的内部质量和表面状态，这些都决定了成型模具在复合材料产品制造过程中起着举足轻重的作用。

随着模具技术的进步，复合材料成型模具的结构形式也趋于多样化，如金属框架式模具、膨胀或收缩模、金属组合模具及复合材料模具等。现代先进复合材料结构设计基本特点是尺寸大、形状复杂，强调整体性，对制造技术提出了更高的要求，一般的工艺方法难以适用，而硅橡胶软模法（膨胀模）成型工艺便很好的解决的这一问题。此工艺是指复合材料预制体在闭合刚性阴模中通过软质硅橡胶芯模的热膨胀变形来实现对复合材料加压固化的成型工艺方法。该方法也可用开放式阴模，硅橡胶软模主要起均压作用，固化压力来源于外压源。由于硅橡胶软模有很好的变形能力，在某些多腔体结构中，能较好的克服了外压难以传递均匀的缺点，具有不可替代的优点。[3]

尽管硅橡胶软模法成型工艺已有所应用，但是作为一种高聚物模具，其在零件高温固化过程中是否对零件产生其他方面的影响，目前尚不明确，相关研究十分少见。本文采用两种固化工艺，即纯刚性金属模具固化成型工艺和硅橡胶软模的固化成型工艺，分别制备了试验件，并进行了单向纤维增强聚合物基复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的标准试验，分析对比了两种工艺成型的复合材料的界面韧性情况，可以为工程制造人员提供参考。

1 实验描述

试验件共分两组，每组试验件10件，试验件具体信息见表1。试验件尺寸如图1所示，长度为180±0.5mm，宽度为25±0.5mm。在试件一端的中面铺入聚四氟乙烯塑料薄膜或与之等效的薄膜得到预制裂纹，薄膜必须平整且不含脱模剂，厚度不得大于13μm。预制裂纹长度为63±0.5mm。

试验采用钢琴铰链法，试验件加载方式如图2所示。典型微裂纹观察情况如图3所示，为了便于观测，在测量长度前采用白色油漆笔将试样两侧边缘涂白，然后沿着试样边缘每间隔5mm做标记，并延伸到至少超过嵌入物尖端55mm，另外在开始的10mm和最后的5mm处每间隔1mm做标记。试验过程中加载速率恒定为2mm/min，卸载速率恒定为10mm/min。试验过程中，如果分层偏离试样中面（预制裂纹面），则认为该试验结果无效，并舍去该试样数据。

2 实验结果和分析

表2给出了硅橡胶软模成型工艺（A组）和刚性金属模成型工艺（B组）有效试验件的I型层间断裂能量释放率的具体计算结果，其中，分层偏离试样中面的试验数据已舍去。

为准确分析两种工艺所成型试验件的层间韧性情况，实验采用检验的方法来确定两组数据是否存在显著差异。在检验之前我们需要确定两组数据的分布，我们假定两组数据均服从正态分布，则A组：均值XA=0.351，方差SA=0.0437，B组：均值XB=0.351，方差SB=0.0249。

从以上数据分析可以看出，采用硅橡胶软模和刚性金属模两种工艺所成型有效试样的层间断裂能量释放率的方差和均值都不存在显著差异，也即两种工艺成型试验件的GI差异不显著。

3 结束语

采用硅橡胶软模作为成型模具对复合材料零件的GI影响不显著。硅橡胶软模的使用很好的解决了复杂复合材料制件一次成型难度大的问题，还可以通过均匀加压来提高复合材料零件的纤维体积含量，缩小孔隙率，同时方便脱模，对于提高复合材料产品质量，降低生产成本有很大帮助。为满足某些复杂结构件的加压要求，可以采用硅橡胶软模代替刚性金属模具来成型复合材料零件。硅橡胶软模作为一种高聚物模具，受温度和材料体系影响较大，其用于复合材料零件成型的评价体系尚不完善，所以实际生产中，若考虑大量使用此类模具，应首先对其成型的样件进行准确测评后，再进行推广。

参考文献

[1]程文礼，梁宪珠，邱启艳，等.大飞机复合材料结构制造和检测技术[J].航空制造技术，2008，24：58-61.

[2]章令晖，李甲申，韩宇，等.复合材料成型模具研究進展[J].航天制造技术，2013，1：13-17.

[3]靳武刚.复合材料软模法成型工艺研究与应用[J].通信与测控，2003，3：30-34.