预浸料成型过程中的组装方式对比研究

马开维 李嘉 马兆丹 张宝艳 王婷婷

摘 要：本文针对预浸料热压罐成型过程中的组装方式进行了研究，选用了四种常用的组装方式，使用5428/T700双马树脂预浸料、ZT7H/5429双马树脂预浸料及ZT7G/LT-03A环氧树脂预浸料分别按照四种工艺采用热压罐成型制备了12块复合材料板材，分别使用外观对比、厚度均匀性对比、力学性能对比及C扫无损检测对比等多种方法对四种组装工艺进行了对比分析，结果表明使用PeelPlyB布的组装方式获得的复合材料表面质量最好，厚度均匀性好，层间剪切强度优异且离散型最小，C扫表明制件内部缺陷少，适合于环氧及双马树脂热压罐成型的组装。

关键词：热压罐成型；复合材料；组装方式；性能对比

中图分类号：TB322 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0084-05

0 引言

碳纤维复合材料因其质轻、高强、高模、耐腐蚀等特点已经在航空航天及武器装备等军用技术领域得到了广泛的应用[1-3]，传统的高性能复合材料为了保障其强度要求及孔隙率要求，大多采用热压罐成型工艺。热压罐成型的优点是可制造各类复杂构件，零件质量优异，成型精度高，制件厚度均匀。近些年，伴随着国内复合材料研发和应用的不断深入，复合材料标准力学性能测试样件的已逐步标准化，对于标准复合材料试样的制备方法也日趋完善[4-5]。在热压罐成型过程中，预浸料的组装方式决定着复合材料的导气方向、表面质量等，好的组装工艺获得的复合材料力学性能更加优异，离散型更小。其中，复合材料层间剪切强度试验是衡量复合材料的层间特性的重要试验方法，从一个应用的角度反映了复合材料基体与增强材料之间的界面强弱，是一种质量控制和材料鉴定的方法。本文结合目前常用的组装工艺方法，从成型后制件的外观对比、制件的厚度均匀性、成型后板材的层间剪切强度及C扫无损检测结果等多个方面对四种复合材料的组装方式进行了对比研究分析。

1 原材料

实验中使用的原材料主要包括环氧树脂预浸料、双马树脂预浸料、玻璃布及相关辅料等，使用原材料信息见表1。5428/T700双马树脂预浸料使用的纤维为日本东丽的T700碳纤维（干法制备），ZT7H/5429双马树脂预浸料使用的纤维为中简科技生产的T700级碳纤维（湿法制备），ZT7G/LT-03A环氧树脂预浸料使用的纤维为中简科技生产的T700级碳纤维（湿法制备），预浸料由中航复合材料有限责任公司制备。

2 实验过程

2.1 组装工艺

针对复合材料在成型过程中，树脂在一定温度和压力下呈现流动挤出状态，需要在制件的表面形成良好的导气及流动通路，方便多余树脂及气泡排出。传统复合材料组装工艺在制件上表面使用脱模布及含孔模板，但因脱模布本身不具备吸附树脂的特性，多余树脂只能通过模板孔隙流出，制件往往存在出胶不均匀的现象。

为了更好的改进优化复合材料的组装成型工艺，结合目前国内外常用的导气工艺制度，分别使用如下图1中a～d所示的四种组装工艺组装预浸料叠层块，对四种工艺进行对比與评价[6-8]。

a组装方式采用传统组装工艺，组装方式为钢制底模板/无孔隔离膜/脱膜布/坯料/脱膜布/有孔隔离膜/有孔钢制上模板，通过树脂向上流动渗透从有孔模板流出，达到导气的作用，其中有孔钢制上模板分布有直径1.5mm的小孔，孔间距为100mm；b组装工艺将有孔钢制上模板改成无孔铝模板，铝模板下方为无孔隔离膜，完全阻隔复合材料导气通路，作为对比实验；c组装工艺将上模板去掉，改为钢制底模板/无孔隔离膜/脱膜布/坯料/脱膜布/两层EW100A玻璃布 /无孔隔离膜，使用两层EW100A玻璃布实现树脂的吸胶和导气，同时玻璃布连接至透气毡，行程完整的导气通路；d组装工艺较c组装工艺有所不同，将脱膜布替换为PeelPlyB布，其它不变，组装方式为钢制底模板/无孔隔离膜/PeelPlyB布/坯料/PeelPlyB布/两层EW100A玻璃布/无孔隔离膜。PeelPlyB布为一种兼具导气和吸胶功能的织物，同时PeelPlyB布的使用可以保证均匀的复合材料表面质量，便于后续的打磨和粘接工序。

2.2 固化工艺

为了更好的验证不同组装方式对不同类型的树脂、纤维是否存在一致性，实验设计了三种不同类型的预浸料，分别为5428/T700双马树脂预浸料、ZT7H/5429双马树脂预浸料及ZT7G/LT-03A环氧树脂预浸料，三种材料中包含了环氧树脂体系及双马树脂体系，在纤维上包含了进口干法制备的碳纤维和国产湿法制备的碳纤维。预浸料的固化工艺制度如下：

5428/T700双马树脂预浸料的热压罐成型制度为：室温下抽真空，真空不小于0.095MPa；以0.5℃/min～2℃/min的速率升温至110℃～145℃，加压0.6MPa～0.7MPa；继续升温至150℃±5℃，保温1.0h～1.5h；继续升温至180℃±5℃，保温2h；保持压力，继续升温至205℃±5℃，保温4h～5h后以不大于2.0℃/min的速度冷却（或在热压罐中自然冷却）到60℃以下出罐。

ZT7H/5429双马树脂预浸料的热压罐成型制度为：室温下抽真空，真空不小于0.095MPa；以不高于3℃/min的速率升温至100℃～150℃，加压0.6MPa～0.7MPa；继续升温至150℃±5℃，保温1.0h～1.5h；继续升温至180℃±5℃，保温2h；保持压力，继续升温至200℃±5℃，保温4h～5h后自然冷却到60℃以下出罐。

ZT7G/LT-03A环氧树脂预浸料的热压罐成型制度为：室温下抽真空，真空不小于0.095MPa；以不高于1.5℃/min的速率升温至60～90℃加压0.4～0.6MPa，继续升温至125℃～140℃，保温2h～3h后，以不大于2.0℃/min的速度冷却（或在热压罐中自然冷却）到60℃以下出罐。

選用5428/T700、ZT7H/5429、ZT7G/LT-03A三种不同的预浸料分别压制层合板，测试预浸料性能的层板采用16层单向铺层，板材理论厚度为2mm，分别通过四种不同的组合方式进行组装进罐固化。

3 结果分析与讨论

3.1 外观及制件厚度

固化后板材的外观质量和制件的厚度均匀性反映了树脂出胶的方向及均匀性，采用目视方法检查了固化成型后的层合板外观平整度和表面有缺陷，并使用游标卡尺对所得到的试验件进行厚度测量。

固化成型后的三种复合材料四种组合方式所得到的十二块层合板如图2。使用四种工艺制备的试板表面均无可见缺陷，表面均匀平整，其中工艺（d）组装方式因为使用了PeelPlyB布代替传统脱膜布，制件表面呈磨砂状，外观更加平整均匀。

使用游标卡尺测量各板材的厚度，5428/T700样板厚度、ZT7H/5429样板厚度及ZT7G/LT-03A样板厚度分别如表2～表4，通过对比可以发现，采用（c）和（d）组合工艺所得到的层合板厚度更薄，同时厚度的均匀性更好，离散性更低。从理论上分析，由于EW100A具有吸胶特性，能够吸取预浸料内的多余树脂，同时，玻璃布面密度均匀，比较单纯开孔流胶的方式，具备更加优异的流胶均匀性。各种工艺的厚度及均匀性对比图如图3。

3.2 力学性能对比

经固化成型后的5428/T700样板、ZT7H/5429样板及ZT7G/LT-03A样板按照标准JC/T773-2010裁剪成层间剪切测试试验件，按照标准进行层间剪切强度测试，测试环境温度为23℃，环境湿度为50%RH。测试结果如表5～表7，层间剪切强度测试实验每组的有效试样为6个，取其平均值及标准差。通过对比发现，对于三种材料体系，工艺（a）制备的样件测试的层间剪切强度离散性最大，工艺（d）制备的样件测试的层间剪切强度离散性最小，使用工艺（c）和工艺（d）制备的样件测试的层间剪切强度要大于使用前两种工艺制备的试验件强度。不同组装工艺的板材层间剪切强度如图4。从理论上分析，层压板的层间剪切强度一方面反映的是树脂与纤维的界面结合强度，同时能够准确的体现出材料在制备过程中的层间孔隙率，层间孔隙越多，材料的层间剪切强度越低。对比5428/T700和ZT7H/5429材料的层间剪切强度，因日本东丽T700纤维表面光滑，国产ZT7H碳纤维因为纤维表面呈现沟壑状，因此ZT7H/5429复合材料层间强度更高。工艺（c）和工艺（d）制备的复合材料板材因为玻璃布和PeelPly布的使用，复合材料表面形成了更好的导气通路，气体更便于排出，复合材料Z向的缺陷更少，因厚度方向导气的路程更近，更加有利于制备低孔隙率和缺陷的复合材料制品，材料的层间性能也更加优异。同时由于（a）工艺和（b）工艺复合材料导气通路受到方向性和出胶孔位置的限制，复合材料的质量均匀性较差，因此复合材料层间剪切强度的离散型更大。工艺（d）PeelPly布具有更好的吸胶性和导气性，整体离散型最小。

3.3 无损检测结果对比

对所得到的12块层合板分别进行超声C扫描无损检测，图5～7分别为经固化成型后的5428/T700样板、ZT7H/5429样板及ZT7G/LT-03A样板超声C扫描图像，图像中白色及红色区域为内部无缺陷区域，颜色越浅内部质量越好，蓝色及绿色区域为缺陷区域，颜色越深表示内部缺陷约严重。从图表中可以清晰发现，四种固化组装工艺制备的板材内部质量均良好，没有明显的内部缺陷。其中，使用组装方式（d）制备的板材内部质量最好，其余三种组装工艺制备的板材均匀性较好。

4 结语

本文针对复合材料热压罐成型的组装方式进行了研究，选用了四种常用的组装方式，使用5428/T700双马树脂预浸料、ZT7H/5429双马树脂预浸料及ZT7G/LT-03A环氧树脂预浸料分别按照四种工艺采用热压罐成型制备了12块复合材料板材，分别使用外观对比、厚度均匀性对比、力学性能对比及C扫无损检测对比等多种方法对四种组装工艺进行了对比分析，形成结论如下：

（1）采用（c）玻璃布导气工艺和（d）PeelPlyB布工艺组合工艺所得到的层合板厚度更薄，同时厚度的均匀性更好，离散性更低。同时使用（d）工艺制备的复合材料板材表面呈现磨砂状态，便于后续的打磨和粘接。（2）通过对比发现，对于三种材料体系，工艺（a）制备的样件测试的层间剪切强度离散性最大，工艺（d）制备的样件测试的层间剪切强度离散性最小，使用工艺（c）和工艺（d）制备的样件测试的层间剪切强度要大于使用前两种工艺制备的试验件强度。（3）从超声C扫描无损检测看，使用组装方式（d）制备的板材内部质量最好，其余三种组装工艺制备的板材均匀性较好。

总上述，为了保证制备的复合材料板材具备优异的力学性能，便于获取最真实的复合材料性能数据，建议使用（d）组装工艺，即：钢制底模板/无孔隔离膜/PeelPlyB布/坯料/PeelPlyB布/两层EW100A玻璃布/无孔隔离膜。

参考文献

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