极限固化工艺对中温环氧/玻璃纤维复合材料性能的影响

范雨娇，楼金帅，姜茂川

(中国航空制造技术研究院，北京 101300)

复合材料以其优异的比强度、比模量、强耐腐蚀性的特点，在各领域的应用十分广泛，特别是在对产品质量要求严苛的航空航天领域，复合材料能够有效达到产品轻量化的效果，并通过其可设计性强的特点制造各类复杂制件。玻璃纤维复合材料作为一种质量轻、强度高、抗腐蚀性能好的复合材料，在飞机上功能类零部件上的应用日益成熟，如飞机上的内饰和天线罩等产品，但结构功能一体化的设计需求也对玻璃纤维复合材料的成型工艺提出了更多的挑战。共固化成型以其优异的减重效果及产品性能在复合材料成型工艺路线选择上更具优势，但共固化工艺过程为保证产品的脱模顺利及固化加压等需求，产品模具设计十分复杂，且在固化过程中模具不同位置温度场不同，即同一产品上的不同位置，复合材料经历不同的固化过程。

共固化成型工艺参数会影响固化过程中树脂的固化程度和力学性能，影响产品热膨胀及化学收缩，因此固化工艺参数的设定极其重要[1-4]。陈杰[5]研究了压力、预热温度、保压时间、预热时间因素对玻璃纤维复合材料模压件弯曲强度的影响，研究表明当预热温度为215.5 ℃、预热时间为16 min、压力为3.8 MPa、保压时间为3 min时，长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料热模压件的拉伸强度及弯曲强度达到最优。蔡烨梦等[6]使用玻璃纤维预浸料以模压工艺制备复合材料板簧，研究了原材料的选择和固化成型温度、时间、压力对板簧力学性能和外观质量的影响，发现固化工艺直接影响材料的力学性能从而最终影响产品的结构和功能特性。为探究隔板类罩体共固化成型工艺制定的可行性，作者研究了该结构产品模具材料中温环氧/玻璃纤维层合板(简称层合板)的高温点及低温点两种极限固化工艺条件对材料性能的影响，并通过与标准工艺条件及材料标准性能进行对比，判断工艺制定的可行性，为今后工艺条件的制定选择提供依据和参考。

1 实验

1.1 材料

中温玻璃纤维织预浸料物：牌号为SW280A/3218、SW220A/3218 、SW110A/3218，中航复合材料有限责任公司产；中温胶膜：牌号为J-95，黑龙江石油化工研究院产；芳纶纸蜂窝：牌号为NH-1-2.75-72-12 mm，中航复合材料有限责任公司产。

1.2 主要设备与仪器

热压罐：规格为φ2.35 m×7 m，中航工程集成设备有限公司制；MQ6025A 型万能工具磨床：武汉武机精密设备制造有限公司制；CMT5105 型微机控制电子万能试验机：深圳市新三思材料检测有限公司制；HP 8722ES矢量网络分析仪：美国安捷伦公司制。

1.3 实验方法

1.3.1 固化工艺

在采用共固化整体成型工艺方法时，由于模具的复杂性，在前期研究过程中会探究模具整体的温度分布，从而确定高温点、低温点温度曲线。基于此，实验采用A、B、C 3种工艺条件制备层合板，对其力学性能进行评估。其中，工艺A为预浸料的标准固化工艺；工艺B为高温点工艺，即升温速率较快且高温保温时间较长的工艺；工艺C为低温点工艺，即升温速率较慢且低温保温时间较长的工艺。

工艺A：升温至80℃，加压至0.3 MPa，保温1 h后升温至130 ℃保温2 h，再降温至60 ℃出罐，升降温2 ℃/min。

工艺B：室温下升温至65 ℃，加压至0.3 MPa,保温1 h，升温至95 ℃保温2 h，升温至110 ℃保温1 h，升温至120 ℃保温1h，升温至130 ℃保温17 h，降温至30 ℃，升降温2 ℃/min。

工艺C：室温下以0.5 ℃/min速度进行升温，每升温2 ℃后保温20 min，控制平均升温速率约0.1 ℃/min，升温20 min后加压至0.3 MPa，继续升温至125 ℃后以0.5 ℃/min降温速度降温至25 ℃。

1.3.2 层合板试样的制备

弯曲和层间剪切性能测试试样：弯曲强度使用表1所示的预浸料，先将预浸料裁剪成160 mm×160 mm，按照表1中的铺层顺序进行铺放，完成封装后按照表中所示工艺在热压罐中进行固化，固化后切割成为60 mm×13 mm的弯曲性能测试试样及20 mm×13 mm的层间剪切性能测试试样。

电性能测试试样：使用表1所示的预浸料，先将预浸料裁剪成200 mm×200 mm，按照表1中的铺层顺序进行铺放，完成封装后按照表1中所示工艺在热压罐中进行固化，固化后切割成为φ61 mm的电性能测试试样。

滚筒剥离性能测试试样：使用表1所示的预浸料，先将预浸料裁剪成400 mm×450 mm，按照表1的铺层顺序进行铺放，铺放完毕后放置J-95胶膜及Nomex蜂窝，在蜂窝上放置J-95胶膜后再按照铺层要求铺放预浸料，完成封装后按照表1所示工艺在热压罐中进行固化，固化后切割成为150 mm×75 mm的滚筒剥离测试试样。

1.4 分析与测试

层间剪切强度：采用CMT5105型微机控制电子万能试验机，按照ASTM D2344—16进行测试，加载速度为1 mm/min。

弯曲强度和弯曲模量：采用CMT5105型微机控制电子万能试验机，按照ASTM D790—10进行测试，加载速度为1 mm/min。

滚筒剥离强度：采用CMT5105型微机控制电子万能试验机，按照ASTM D1781—98(2012)进行测试。

介电常数及损耗角正切：采用矢量网络分析仪，按照GB/T 5597—1999进行测试。

2 结果与讨论

2.1 工艺条件对弯曲性能的影响

由表2可看出：在标准工艺A条件下，SW280A/3218层合板的弯曲强度及弯曲模量最高，其中纬向弯曲强度为775.40 MPa，弯曲模量为22.56 GPa，经向弯曲强度为881.60 MPa，弯曲模量为25.46 GPa；在高温点工艺B条件下，相比标准工艺A的弯曲强度，其经向和纬向的弯曲强度均有所下降，其中纬向弯曲强度下降约11%，经向弯曲强度下降约18%，而弯曲模量无明显变化；在低温点工艺C条件下成型的层合板，相比标准工艺A的弯曲强度，其纬向弯曲强度下降14%，经向弯曲强度下降16%。

表2 不同工艺条件下层合板的弯曲性能Tab.2 Flexural properties of laminates under different process conditions

相比而言，标准工艺A条件为该预浸料固化的最佳工艺，在该工艺下层合板的弯曲强度可以达到最大值。这是由于在其他极限工艺条件下，树脂的固化条件发生变化，对于高温点工艺B，相当于在材料的固化完成后，进行了133 ℃约20 h的高温热处理，由于该体系为中温材料体系，在130 ℃已超过材料的长期使用温度，该工艺的后段保温时间相当于材料固化后经受17 h的热老化处理，导致材料性能下降；对于低温点工艺C，则相当于材料固化过程中在低温经历时间过长，影响树脂的凝胶固化过程，从而影响材料的最终性能。由表2还可看出，对于SW220A/3218及SW110A/3218层合板，不同工艺下的弯曲强度及弯曲模量未发生明显变化。根据Q/ZHFC 8246—2015标准中的弯曲性能指标，不同工艺条件下层合板的弯曲性能均达到了该标准要求。

2.2 工艺条件对层间剪切强度的影响

由表3可看出：SW280A/3218层合板在标准工艺A条件下，纬向层间剪切强度为67.44 MPa，经向层间剪切强度为73.32 MPa；相比标准工艺A的层间剪切强度，在低温点工艺C条件下，SW280A/3218层合板的纬向层间剪切强度变化很小为66.62 MPa，而经向层间剪切强度为67.4 MPa下降约8%；高温点工艺B对于SW280A/3218层合板层间剪切强度的影响较为明显，相比标准工艺A的层间剪切强度，其经向和纬向的层间剪切强度分别下降约12%和约11%。

表3 不同工艺条件下层合板的层间剪切性能Tab.3 Interlaminar shear strength of laminates under different process conditions

由表3还可以看出， SW220A/3218层合板的层间剪切强度在标准工艺A条件下，纬向层间剪切强度为67.42 MPa，经向层间剪切强度为72.52 MPa；相比标准工艺A的层间剪切强度，在低温点工艺C条件下，SW220A/3218层合板的纬向层间剪切强度下降约10%，经向层间剪切强度下降约9%；高温点工艺B条件下，相比标准工艺A的层间剪切强度，SW220A/3218层合板的纬向和经向层间剪切强度则分别下降约9%，8%。这是由于极限工艺条件下树脂的凝胶过程受到影响，导致树脂的性能下降及纤维和树脂的界面性能下降，从而影响层合板的层剪剪切强度。另外，从表3可以看出，对于SW110A/3218层合板，不同工艺下的层间剪切强度未发生明显变化。根据Q/ZHFC 8246—2015标准中的层间剪切性能指标，不同工艺条件下层合板的层间剪切性能均达到了该标准要求。

2.3 工艺条件对滚筒剥离强度的影响

将SW220A/3218与Nomex蜂窝通过J-95进行胶接的A夹层蜂窝结构，在不同固化工艺条件下的滚筒剥离性能如表4所示。由表4可看出：标准工艺A条件下成型的夹层结构上蒙皮的滚筒剥离强度为130.2 (N·mm)/mm，下蒙皮滚筒剥离强度为130.0 (N·mm)/mm；在低温点工艺C条件下成型的夹层结构上蒙皮及下蒙皮的滚筒剥离强度分别为97.3，90.2 (N·mm)/mm，相比标准工艺A条件下成型的夹层结构，其滚筒剥离强度则分别下降约25%，31%；在高温保持较长时间的工艺B条件下，上蒙皮及下蒙皮的滚筒剥离强度分别为121.0，113.6 (N·mm)/mm，相比标准工艺A条件下成型的夹层结构，其滚筒剥离强度则分别下降约7%，13%。

表4 不同工艺条件下的夹层结构的滚筒剥离强度Tab.4 Roll peel strength of honeycomb sandwich panel under different process conditions

通过对比可发现，相比于预浸料，胶膜对于固化工艺变化的敏感程度更高，特别对于升温段较长的工艺C，由于在低温段保持较长时间，从而影响了胶膜的整体凝胶固化过程，影响蜂窝与预浸料的粘接性能，所以预浸料及蜂窝粘接的滚筒剥离强度下降最为明显。而在工艺B条件下，相当于胶膜已经完成标准工艺后，进行了130 ℃长时热老化，但是性能下降较小。另外，通过观察滚筒剥离实验后的破坏模式可发现，滚筒剥离实验的破坏模式均为典型破坏模式，蜂窝在两侧的蒙皮胶膜上均有残留，且胶膜爬坡形成的胶瘤明显。由于Q/ZHFC 8246—2015只规定了预浸料层合板性能，未规定夹层结构滚筒剥离性能，各工艺条件下的滚筒剥离强度均可满足设计指标要求。

2.4 工艺条件对电性能的影响

由表5可以看出：固化工艺条件对SW220A/3218层合板的电性能的影响较小，3种工艺条件下SW220A/3218层合板的介电常数和介电损耗无明显变化。这是由于层合板材料的介电常数和介电损耗主要与原材料纤维和树脂本身的介电常数和介电损耗及层合板中纤维和树脂的比例有关，3种工艺条件下的层合板都达到完全固化的状态，且树脂含量均相同，所以3种固化工艺对其影响较小。3种工艺条件下材料介电性能均满足Q/ZHFC 8246—2015要求。

表5 不同工艺条件下的SW220A/3218层合板的介电性能Tab.5 Dielectric properties of SW220A/3218 laminates under different process conditions

3 结论

a.相比于标准工艺条件，极限固化工艺条件对于中温环氧/玻璃纤维层合板的弯曲强度及层间剪切强度影响较为明显，但极限固化工艺条件下制得的层合板的力学性能均可满足材料标准要求。

b.相比于层合板结构，由于蜂窝夹层结构胶膜对于固化工艺条件的敏感度较高，在两种极限固化工艺条件下，胶膜的滚筒剥离强度存在下降，前期升温段过长对于蜂窝夹层结构滚筒剥离性能的影响较为明显，所以大型制件成型工艺选择上应充分考虑验证蜂窝夹层结构部分的升温时间过程问题。对于极限固化工艺条件下制得的层合板夹层结构，其滚筒剥离强度均可满足设计指标要求。

c.极限固化工艺条件对层合板的介电常数和介电损耗的影响较小，作为透波材料体系，在工艺条件的选择上对于介电性能的影响可不作考虑。