基于缝合液体成型加筋壁板技术研究与应用

王松 阎超

[摘    要]本文针对复合材料“帽型”、“J”型、“T”型的加强筋采用杜邦Kevlar29的缝合材料，面线为1200D、底线为600D，缝合密度（针距×行距）为6 mm×10 mm的技术参数进行缝合，使用RFI液体成型工艺固化该零件，最后对零件进行100%超声检测和力学性能试验。检测结果表明，缝合液体成型零件内外部质量满足工艺文件要求，且断裂韧性、冲击损伤容限和搭接连接件的强度得到了明显的提升，可应用于生产。

[关键词]缝合;液压成型;超声检测

[中图分类号]V262 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）12–00–03

[Abstract]This article uses DuPont Kevlar29 suture material for composite material "hat-shaped"， "J"-shaped and "T"-shaped stiffeners. The upper thread is 1200D， the bottom thread is 600D， and the stitching density （stitch * row spacing） is The technical parameters of 6mm*10mm are stitched together， and the part is solidified using RFI liquid molding process. Finally， the part is subjected to 100% ultrasonic inspection and mechanical performance test. The test results show that the internal and external quality of the stitched liquid molded parts meets the requirements of the process documents， and the fracture toughness， impact damage tolerance and the strength of the lap joint have been significantly improved， which can be applied to production.

[Keywords]stitching;hydroforming;ultrasonic testing

由于复合材料具有比强度高、比刚度大、耐疲劳性和可设计性好等优点，在结构制造领得到域广泛应用[1-3]。复合材料缝合技术是针对传统工艺方法不足而开发的一种全新技术。其原理是通过缝合手段，将复合材料在垂直于铺层平面的方向得到增强，从而提高材料层间损伤容限，穿过增强织物厚度方面的缝线能够极大改善复合材料的层间性能。

虽然缝合技术历史悠久并且发展迅猛，但是应用在复合材料领域的时间较晚。复合材料缝合制备和研究于1980后，最先在美国、日本、澳大利亚以及欧洲一些发达国家开始的。

20世纪80年代末，美国宇航局最先开始实施先进复合材料技术研究（ACT计划），主要针对降低复合材料制造成本、提高复合材料损伤容限、缝合工艺参数、蜂窝设备等问题进行了全面研究。相對而言，我国复合材料缝合技术发展较晚，本文主要针对国内常用T300材料加筋壁板类零件进行缝合，采用液压成型进行固化，最后通过力学性能及超声检测结果验证缝合技术。

1 复合材料加筋壁板介绍

1.1 加筋壁板结构以及原材料

制造“帽型”、“J”型、“T”型的加强筋，原材料采用我国自主研发生产的T300。

1.2 复合材料加筋壁板缝合技术优势

相对于三维纺织工艺，缝合复合材料的优势具有以下优势：①制作简单;②可以沿用原有的层合板的研究成果;③缝线的纤维体积含量往往只占很小的比例，却能显著的提高层合板的断裂韧性、冲击损伤容限和搭接连接件的强度等;④缝合技术应用于复合材料液体成型工艺还可提高制件成型的整体化程度;⑤缝合技术也可用于缝制大型构建，通过缝合技术可以解决无法一次编织成型的大型异型件。

1.3 主要技术指标

（1）外观质量：加筋壁板制件的表面应光滑平整，表面无贫、富树脂，表面纤维被树脂均匀覆盖。

（2）内部质量：超声检测分层、脱粘和孔隙类等缺陷均符合HB7224二级验收标准。

（3）厚度控制：理论厚度的±8%。

（4）外形公差：理论型面的-0.75～0 mm。

（5）断裂韧性、冲击损伤容限和搭接连接件的强度满足相关材料技术规范。

2 复合材料加筋壁板缝合方案

2.1 帽型加强筋的设计

帽型加强筋的铺层方式如图1所示。根据冒型尺寸计算所需的织物尺寸为：310 mm×330 mm。根据织物的厚度以及所需复合材料厚度2 mm，设计铺层数为5层。帽型缝合尺寸如图2所示。

2.2 J型加强筋的设计

J型加强筋的铺层方式为两部分，200 ×330 mm，设计铺层数为5层，分别将两个5层合并后作为纵向筋中间部分缝合，然后底部等分各5层向两侧分开，准备缝合在底板上，根据要求的尺寸，计算得到J加强筋所需的织物尺寸如图3所示。

2.3 T型加强筋的设计

根据模具图纸，考虑加强筋与壁板缝合的尺寸，设计T型加强筋的铺层方式为两部分，T型梁缝合步骤为：裁布→平面铺层→纵墙缝合→底面分开两侧→底面缝合。纵樯与底面的缝合分开进行，纵樯的缝合转换成平面缝合，按设计的行距要求缝合几条缝线，以固定形状，然后将底部翻开形成T型，拐角处可填入增强纤维以防止出现富树脂区，进行底面的缝合。在缝合底面时，底边较宽，锁式缝合直接用夹头固定底面进行缝合;T型梁缝合如图4所示。T加强筋所需的织物尺寸为：150 ×330 mm，设计铺层数为5层，两部分相同，T型缝合尺寸如图5所示。

2.4 缝合示意图

壁板需要容纳缝合帽型、J型以及T型三种加强筋，尺寸为1 000×400 mm，碳纤维层数为6层。为了使冒型、J型以及T型三个加强筋的织物与模具更加贴合，防止出现架空情况，同时也便于缝合，需要对其进行加热定型。具体操作：铺层—封袋—抽真空—加热—冷却。缝合线材料要有较好的力学性能、良好的延伸性和耐磨性，同时材料的性能在复合材料固化成型时能保持稳定。本实验中壁板的缝线材料采用杜邦Kevlar29，面线1 200D，底线600D。缝合增强了复合材料的层间剪切强度，使层间损伤机理发生改变，由原来的基体剪切破坏变成缝线的剪切和拉伸破坏。在查阅大量文献的基础上并结合本试验的实际情况，设计最优的缝合密度（针距×行距）为6 ×10 mm。

3 缝合液体成型加筋壁板的制备

3.1 制备过程

采用RFI液体成型工艺制备加筋壁板，纤维体积含量60%，厚度为1.2 mm，如图6所示，基本流程如下。

（1）准备阶段主要包括模具清理、缝合纤维预成型体和辅助材料（脱模布、导流网、密封胶、导流管等）的准备、按预成型体的形状铺设密封胶条、涂覆脱模剂等。

（2）铺层和密封阶段在模具上依次铺设缝合纤维预成型体、脱模布、导流网、设置注胶和抽真空管道等，用真空袋将上述体系进行密封并抽真空，且需保证密闭模腔内达到预定的真空度。

（3）注胶和固化阶段将树脂适当加热并抽真空去除樹脂中的气泡，加热模具到60 ℃，将树脂胶液（树脂与固化剂按照一定质量比）混合均匀并做抽气泡处理，在真空负压（-0.1 MPa）作用下将树脂胶液灌注到密闭模腔，完全浸渍纤维预成型体，并在一定温度下按照相应固化工艺成型。

（4）脱模和后处理阶段脱模，得到缝合复合材料层合板。

3.2 固化参数及实物

加筋壁板采用RFI液体成型固化曲线如图7所示。

4 检测

4.1 内部质量检测

缝合液体成型加筋壁板内部质量主要通过超声检测方式来实现，检测设备为奥林巴斯MX2相共振，检测探头5 MHz（32晶片），检测方式A扫描+B扫描。超声检测该零件内部无脱粘、分层、夹杂、孔隙密集等缺陷，满足工程技术要求。

4.2 力学性能及其他

通过RFI液体成型固化后的零件，经过打磨等处理后，表面光滑平整，表面无贫、富树脂，表面纤维被树脂均匀覆盖。零件的厚度控制以及外形公差等均满足结果要求。通过液体成型固化后的零件，根据要求制作成合适的试样的断裂韧性、冲击损伤容限和搭接连接件的强度相对于铺贴成型的零件强度明显得到提升。

5 结论

通过对复合材料T300制成的“帽型”、“J”型、“T”型加强筋采用杜邦Kevlar29的缝合材料，面线为1200D、底线为600D，缝合密度（针距×行距）为6mm×10mm的技术参数进行缝合，使用RFI液体成型工艺固化该零件，最后对零件进行100%超声检测和力学性能试验，得到以下结论。

（1）缝合液体成型零件固化曲线满足工程设计要求。

（2）缝合液体成型零件内外部质量满足工艺文件要求。

（3）缝合液体成型零件的断裂韧性、冲击损伤容限和搭接连接件的强度得到了明显的提升，可应用于生产。

参考文献

[1] 罗明.碳纤维增强树脂基复合材料孔隙率超声无损检测[D].大连：大连理工大学，2007.

[2] 牛春匀.实用飞机复合材料结构设计与制造[M].北京：航空工业出版社，2010.

[3] 沈真.碳纤维复合材料在飞机结构中的应用[J].高科技纤维与应用，2010，35（4）：2-4.