碳毡复合材料无损检测对比试块设计及工艺

焦亦彬，马秘辉，孟庆杰，王一寒

（沈阳飞机工业<集团>有限公司 辽宁 沈阳 110058）

0 引言

随着碳纤维复合材料在飞机制造领域大量应用，阶差结构中，设计为防止口盖结构接触面磨损而铺贴碳素纤维毡材料（简称碳毡）进行保护与缓冲。碳素纤维毡预浸料出现前，在实际生产中曾采用蓬松絮状碳毡外涂刷树脂后在成型模具中以中温加热、常温树脂胶粘的方式制取碳纤维毡[1]。因原用的碳毡材料多空隙低密度的性质，絮状非连续状态下成型工序繁琐、效率低下，无法保证材料内部均匀性[2]，且需在正式零件高温成型后额外增加二次胶接工序，在后续机械加工及装配过程中极易产生移位、甚至脱落的问题。经过材料性能、浸渍状态研发与预浸料挤压工艺改良，现选用连续碳纤维毡预浸料进行零件碳毡部位加工。零件中碳毡通常为围绕大尺寸壁板及口盖整体铺贴，宽度极窄，其使用面积及与碳纤维复合材料零件粘接面积仅为5～15 mm宽一条，且位置在贴工装胎面一侧于外蒙皮内，固化后外观上与碳纤维零件融为一体。

在成型、铺叠后进入热压罐固化过程中，无论设计者、工艺员还是操作者都难以保证碳毡粘接全面性，常有部分碳毡条脱粘甚至整体脱落风险。若有某一处或某几处小范围脱粘，凭借目测法难以确定脱粘范围，需配合相应结构对比试块进行无损检测。除此之外，若碳毡下方层板结构零件中出现夹杂类缺陷，单一增益下无法一次性检测出整体厚度区间内所有内部缺陷，需要有同结构优区参照以确定缺陷具体深度及位置。因不同角度碳毡厚度不同，需制作对应厚度及角度碳毡对比试块填补参照空白。

1 碳纤维毡复合材料制件无损检测对比试块结构设计

基于传统碳纤维层压板模拟分层对比试块制造原理，为了实现结构内全面检测，应实现在同一个试块上，同时满足还原正式零件碳毡厚度、角度及其与层板粘接构造，检测碳毡脱粘及碳毡下层压板内的不同深度分层缺陷，以及有足够面积优区进行对比的需求。根据超声纵波穿透检测方法式（1）及（2）[3]，式中为声波在被检测复合材料中的传播速度；H为声波在被检测复合材料表面和底面之间的单次往返传播时间；h为声波在被检测复合材料表面和缺陷表面之间的单次往返传播时间，可准确得知零件层板厚度H及缺陷深度h，可用于检测碳毡零件内部脱粘或上下结构分层。因此可同时制作多阶梯同结构不同角度对比试块以辅助穿透法A扫描检测。

设计碳纤维毡-层压板粘接试块之初，首先应明确要解决的技术问题：（1）需在制作试块过程中保证碳毡角度相对准确，符合公差要求。由于试块制作周期早于正式零件，且试块整体尺寸远小于正式零件尺寸，会存在缺少合适的碳毡成型模工装以控制碳毡形状、保证碳毡角度的问题；（2）根据不同型号零件验收技术条件要求设计碳毡内部缺陷尺寸，需考虑碳毡斜坡粘接面处缺陷投影面积，及实际制作试块时缺陷是否可检；（3）基于反射法A扫描过程中探头对零件表面质量的耦合需要，对于试块表面平滑度也有一定要求，试块表面需平整光滑，无严重翘曲形变；（4）需保证固化过程中碳毡不能脱落，保证人工缺陷在碳毡与预浸料胶膜中不移位，层压板部分的内部分层缺陷不偏移；（5）需保证碳毡压实状态，其内部质量需致密，符合空隙率要求，无集中空隙影响超声波检测。

层板类结构碳纤维复合材料制件在制造中可能产生的损伤类型有内部基体/纤维分层和断裂失效缺陷；加筋壁板类和胶接结构制件还要增加脱粘问题[4]。碳毡类板梁零件既包含层板结构又有胶接工序，则需考虑以上所有种类内部缺陷。为测试该思路是否适用于不同角度、不同厚度、不同表面状态的碳毡条件，先以多种碳纤维毡复合材料制件对比试块需求为预设计蓝本，设计制作4种碳毡角度不同、上下层板总厚度不同的碳毡层压板对比试块。综合零件设计数模及材料信息，部分零件结构为起到防雷击、耐高温、耐湿热、冲击压缩强度高等功能，部分碳毡下铺贴有金属网复合膜及同种类树脂玻璃纤维预浸料。4块试块碳毡阶梯上铺贴状态分别为：仅一层玻璃布，仅一层铝网，一层玻璃布+一层铝网，无玻璃布无铝网。根据零件检测需求[5]，碳毡内部仅允许有直径不大于6 mm或单块面积不大于0.4 cm2的脱胶缺陷，缺陷深度设计为距离下表面2～3层、中间层及碳毡脱粘缺陷。为验证缺陷是否能被检出并保证探头最小检测范围，规定试块内部缺陷为3枚Φ3 mm用蓝胶带或锡纸包覆一层或二层单层厚度小于0.15 mm的聚四氟乙膜人工缺陷，聚四氟乙烯膜需涂刷六遍脱模剂并自然晾干30 min，缺陷投影中心距离为20 mm，#1缺陷位于上台阶中间层，#2缺陷位于碳毡与下台阶高温树脂胶膜胶接面间，#3台阶位于距离上台阶上表面2～3层之间。碳毡上预浸料层板厚度均为32层，碳毡角度分别为30°、26°、20°、10°，其对应的与碳毡斜面相粘贴的铺层厚度分别为24、21、16、8层。根据该要求及零件尺寸、碳毡上方层板厚度，并确定人工缺陷尺寸。如图1所示。

为保证试块表面质量，需在贴真空袋一侧放置隔离膜或四氟布及盖板。如有碳毡成型模或配套其他成型工具，可提前使用工装，进热压罐压实成型或使用电熨斗隔无孔隔离膜加热并抽真空进行预成型。如无碳毡成型模或工装还未具备开工条件，碳毡成型角度通过计算其所粘接的预浸料铺层错层量可较为准确地实现：在确定碳毡宽度后，根据碳纤维预浸料材料标准中材料固化后厚度，可用三角函数及等差数列计算单层错层量；但由于自动下料设备存在走刀误差及设备厂家间程序差异，应保证试块预浸料下料连续性及统一性。

2 飞机碳纤维毡复合材料制件无损检测对比试块工艺方法及优化

确定碳毡-层压板对比试块设计方案及制作流程后，开始进行第一批试验件试块制作，确定其成型方式为205 ℃高温热压罐固化。因无配套金属工装成型模，按无工装计划执行。#1及#3分层缺陷直接在层板铺叠过程中按规定位置放入，#2为脱粘缺陷，置于高温树脂胶膜与碳纤维预浸料之间。在进行碳毡铺叠时，将试块倒置以便操作。首先，使用大小适中的金属块放置在已铺叠好的阶梯上定位，将金属块直角边卡于层压板上阶梯斜坡下缘，再在上阶梯表面上方放置硬质盖板（如玻璃钢盖板、金属挡片等）与金属块组合形成放置碳毡空腔。根据斜坡斜边尺寸裁切碳毡预浸料堆叠。将碳毡预浸料填充至与层压板上台阶表面齐平后进行抽真空、加热预成型等步骤，以使碳毡达到所要求的角度。

铺叠工序结束后，操作者先根据碳毡台阶厚度制作未硫化硅橡胶盖板垫于试块及平板工装间。将金属块更换为金属挡条，在试块表面放置硬质盖板进罐固化。固化全程真空度不低于-92 kPa，抽真空速率为49 kPa/min；压力 700±35 kPa，加压速率为350 kPa/min；温度要求为：（1）升温速率不大于1.5 ℃/min，升至90 ℃；（2）90±5 ℃，保温15 min；（3）升温速率不大于1.5 ℃/min，升至130 ℃；（4）130±5 ℃，保温20 min；（5）升温速率不大于1.5 ℃/min，升至180 ℃；（6）180±5 ℃，保温120 min；（7）升温速率不大于1.5 ℃/min，升至205 ℃；（8）205±5 ℃，保温360 min；（9）降温速率不大于1.5 ℃/min，降至60 ℃；（10）60 ±5 ℃，保温2 min，卸压准备出罐。试块出罐后进行清胶处理，机加下料，去除零件余量。在进行机械加工打磨、清漆封边后，将第一批碳毡试块送至理化测试中心进行超声波无损检测。

在去除试块四周因边缘效应产生的余量时发现，由于碳素纤维毡预浸料高温条件下产生热膨胀且膨胀系数较大，试块表面盖板未能将试块压平反而被拱起，台阶处硅橡胶垫板在试块阶差处并不随形，也未能起到侧面推实作用，导致试片表面弯曲变形十分严重。剖切试样后从剖面清晰可见碳毡条宽度方向膨胀约1～2 mm，导致人工缺陷正好处于碳毡与碳纤维层板接缝弯曲处。进一步导致缺陷投影面积被大大压缩，不足门槛值检测公差范围。而两种材料密度不同，差异较大，碳毡内部树脂含量不均匀，比碳纤维更疏松，内部孔隙损耗部分声波，底板弯曲还会进一步导致分层缺陷回波弱，脱粘缺陷从台阶上方无法检出，只有从贴袋面一侧才可检。但由于层板层数差异，脱粘D波不明显，波形更类似于分层缺陷（图2所示）。

根据第1批试块失败教训，进行第2批试块设计及制作流程优化尝试。本次修改为解决碳毡上表面热膨胀的问题，从铺叠之初便将试块倒置，上台阶贴平板模胎，下台阶贴真空袋，并在下台阶上表面放置双层0.5 mm厚玻璃钢盖板，将碳毡区域与碳纤维区域一起匀压；将脱粘缺陷直径增至Φ6 mm，以弥补缺陷检测投影面积的不足,两种深度各增加1枚Φ5 mm分层缺陷以增大可检性，同时将缺陷圆心位置整体向碳毡一侧移动1 mm进行补差，以保证缺陷整体完全位于碳毡覆盖区域内；在填充碳毡预浸料时，根据上一次尝试得到的碳毡预浸料热膨胀量，将碳毡条额外填高约1 mm以保证表面质量平整均匀；使用真空袋封装时对试块四周进行挡胶，对上下台阶分别填充盖板以实现侧面挤压压实。经本次改动，试块外表面质量得到明显提升，贴袋面一侧无任何翘曲形变，试块侧面坍缩量极小，试块尖角处锋利无压角，试块余量剖面处可见碳毡三角区与碳纤维层压板泾渭分明。经测量，固化后的碳毡角度得到了保证，数值较准确能满足设计检测需要。在A扫描检测过程中，第2批试块碳毡区检测界面波明显后移，可见胶接界面被破坏，与第1批形成鲜明对比（图3所示）。通过对碳毡固化膨胀量、缺陷尺寸的调整、以及试块压实封装及固化方式的改变，对于解决碳毡对比试块表面质量差、碳毡台阶边缘翘曲、内部分层及脱粘人工缺陷位置偏移、因缺陷投影面积被压缩导致被检测效果差甚至不可检的问题有较好的改善效果。

3 结论

根据目前碳毡与碳纤维复合材料胶接固化零件内部质量无损检测需要，碳毡对比试块的需求也随之产生。由于碳毡零件内部可能存在局部脱粘及分层缺陷，决定采用穿透法A扫描的方式进行碳毡内部质量检测。为解决保证碳毡角度及试块表面平滑度、保证缺陷尺寸及位置可检、保证碳毡在无工装条件下仍可成型等问题，设计了不同厚度、不同角度的碳毡对比试块的工艺方案。在初次试验中，由于未考虑碳毡热膨胀量及两种胶接材料密度间差异，导致试块碳毡台阶边缘区域屈曲，内部脱粘缺陷位置偏移，缺陷检测投影面积不足，分层缺陷波不清晰，脱粘缺陷不可检等问题。通过考虑碳毡热膨胀量进行补差、缺陷尺寸分别调整及试块压实方式的改变，对于解决碳毡对比试块表面质量差、碳毡台阶边缘翘曲、内部分层及脱粘缺陷位置偏移、因缺陷投影面积被压缩导致被检测效果差甚至不可检的问题均有较好的改善效果。经过实际生产过程中的多次应用，已证实了该工艺流程优化的可行性。该工艺方案不但实现了试块制作合格率的显著提升，也为后续其他种类的复合材料无损检测对比试块的工艺流程提供了实践经验与参考。