冷抽压实频次对复合材料试板性能的影响

孟翠翠 徐小伟 余高杰 柳 青 任学明

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089）

0 引言

纤维增强树脂基复合材料（简称“复合材料”）具有比强度和比刚度高、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳性能好、减震性好、成型工艺简单等优异性能[。被广泛应用于航空、航天、船舶、建筑等各个领域。

在复合材料零件的成型过程中，预浸料的铺贴工艺对零件质量有较大影响，为使预浸料与工装贴合、排除夹在其中的气泡、避免褶皱出现，在铺贴一定层数后，需要对预成型预浸料进行一次冷抽压实，以驱赶其内部孔隙保证成型质量。在相关工艺文件中，对复合材料预浸料铺贴过程中冷抽压实的频次有一定要求。波音文件要求“压实是任选的，建议每铺6 层后进行压实”；国内文件要求“每铺贴1～6 层进行一次压实，时间至少10min”；但其抽真空压实的频次范围较宽泛，对于实际的生产指导性不强，冷抽压实频次越高，零件质量固然没有问题，但生产效率低；冷抽频次越低，零件生产效率固然高，但零件质量存在隐患。

该文以复合材料层压平板为研究对象，在其他条件相同的情况下，控制单一变量，研究冷抽压实频次对复合材料制件制造质量的影响，并通过层压试板固化后的厚度、内部孔隙缺陷、力学性能来表征其影响的大小。

1 试验过程及方法

1.1 试板原材料及铺层尺寸

T800 碳纤维单向带及环氧树脂基复合材料预浸料产于中航复合材料有限公司。每块层压试板共计铺层25 层，单层固化厚度为0.14mm±0.01mm。每块试板尺寸300mm×400mm，共计制造10 块试板。

1.2 试验设备及工具

试板切割机、光学显微镜、研磨抛光机、游标卡尺、万能力学试验机。

1.3 试验内容

为研究不同冷抽压实频次对层压试板厚度、内部缺陷以及力学性能等质量特性的影响，分两批共计制造12 块层压试板，每批按照铺贴1 层、3 层、6 层、8 层、12 层进行一次冷抽压实。为了保证单一因素的影响，整个实验采用相同预浸料，按照相同的铺层角度顺序、相同的工艺参数、相同的操作人员以及测试方法。试板铺贴固化完成后，每块试板分别进行试板厚度测量、内部孔隙缺陷及层间剪切强度3 组测试分析。通过以上3 组测量测试结果来表征不同的冷抽压实频次对复合材料制件的质量影响程度，总结出最佳铺层冷抽次数。

1.4 成型模具及工艺流程

试板铺贴采用平板成型模具，模具材料为Q235 钢。数控下料机切割出尺寸为300mm×400mm 的料片25 片，按照指定的铺层角度顺序逐层铺贴预浸料，并在铺贴过程中按照试验内容规划的冷抽压实频率进行预成型体抽真空压实，每次压实真空度不少于0.08MPa，时间至少10min。铺贴完成后封袋进入热压罐内固化。按照以上工艺流程，整体试验分2 次成型固化，制造出相同尺寸、相同铺层的层压件试样10块。分别对对不同试样标记并进行厚度测量、磨制金相试样观察内部孔隙缺陷、切割层间剪切试样进行相关力学性能测试。通过以上物理量来表征不同冷抽压实频次对复合材料层压制件成型质量的影响。

2 结果与讨论

2.1 试板厚度测量

固化后的层压试板，去除边缘余量后，首先对其厚度区域通过画网格的方式标记出测量的点位，然后使用游标卡尺对试板进行多点厚度测量，并记录数值，最后通过计算厚度平均值得到试板的宏观测量厚度值。

从完成宏观测量的试板上的相同区域上切割取下10mm×10mm 的小试块，通过研磨抛光机磨制成金相试样，然后使用光学显微镜观察其内部是否存在孔隙缺陷及缺陷的覆盖面积。图1 即是通过光学显微镜拍出的试块内部质量照片，通过测量工具在金相照片上测出单层固化厚度，多次测量计算出平均单层固化厚度，然后与铺贴层数相乘后得出每块试板的厚度，进而得到显微镜从微观角度测量出试板的厚度。通过对比宏观和微观两种测量方法测量出来的的厚度值，通过表1 可以看出厚度值基本一致，但随着冷抽频次的变化，厚度值并没有呈现出规律的变化。可见对于铺贴层数为25 层的试板，冷抽频次对试样最终固化厚度的影响较小，二者之间没有明显对于关系。通过对比其单层固化厚度理论值可知，每组试板的平均单层固化厚度均在理论值范围内，可见对于较薄的层压试板，抽真空压实频率对其厚度影响不大。

2.2 试板孔隙缺陷观察

磨制完成的金相式样，在显微镜下可看到其内部的孔隙缺陷，通过计算在一定面积内孔隙缺陷的比例，能够评价此试样的内部质量优劣，图1 是在不同冷抽频次下试板试样的金相显微镜照片。图1（a）～图1（e）分别为每铺贴1 层、3 层、6 层、8 层、12 层进行一次抽压实的试样金相照片。观察第一批试板表面孔隙缺陷可知，每1 层抽真空一次时，试样表面完整，没有肉眼可见的孔隙缺陷，每3 层抽真空一次和每6 层抽真空一次的试样表面显微形貌与每1 层抽真空一次相比无较大差异。但当冷抽压实次数减少到每8 层金相一次冷抽压实时，树脂层中开始出现小的孔隙，当冷抽压实次数减少到每12 层一次时，树脂层中开始出现较大面积较大直径的明显孔隙。同样观察第二批试板表面孔隙缺陷可知，每铺贴1 层、3 层、6 层冷抽压实一次时，纤维和树脂间基本无明显孔隙缺陷，但冷抽频次减少至8 层时，树脂间出现较小面积和小尺寸的孔隙、而当每12 层一次冷抽压实时，明显出现较大面积和较大尺寸的孔隙缺陷。虽然与第一批试板相比，第二批试板整体孔隙缺陷较少，但整体均随着冷抽压实频次的降低，孔隙缺陷增多的结果是一致的。

2.3 层间剪切试验

图1 不同冷抽频次的金相显微镜照片

表1 不同冷抽频次试板厚度

表2 不同冷抽频次试板层间剪切试验结果（将试验结果中误差较大的数据去除）

通过上述验证得知，不同的冷抽压实频次影响着复合材料层压件的内部质量，而这些内部的小空虚是否对其力学性能产生影响。为了对比不同冷抽压实频次试样的力学性能，按照实验要求将层压试板切割成标准的小试块，使用万能力学试验机进行层间剪切试验，如图2 所示。试验过程中记录两批次试块的最大弯曲力和短梁强度数据，具体数据见表2（剔除测试过程中的异常值），通过对比力学性能数据可以看出，每铺贴1 层、3 层、6 层进行一次抽真空压实时，所对应力学性能数据相对较高，当冷抽频次减至8 层一次时其应力学性能数据开始降低，到12 层时力学性能进一步下降，分析其力学性能的下降主要原因是内部孔隙缺陷的增加导致其层间裂纹扩展的加速，所以使用万能力学试验机进行层间剪切试验时，试样就更加容易被破坏，从这一点上可以得出随着冷抽压实频次的降低力学性能的减弱结论与金相显微照片看到的孔隙缺陷结果基本一致。

图2 层间剪切试验前后试样照片

3 结论

通过制作不同冷抽压实频次的平板层压试样，并通过2批次试样对比测量试板厚度、孔隙缺陷、层间剪切强度，验证冷抽压实频次对试板质量及性能的影响，得出如下结论：（1）对于复合材料层压试板，每铺贴1 层、3 层或6 层进行一次冷抽压实时，金相试样表面完整，几乎没有肉眼可见孔隙缺陷，而当冷抽压实频次减少到每8 层一次时，树脂层中开始出现小的孔隙，当冷抽压实频次进一步减少到每12 层一次时，树脂层中开始出现较大直径的明显孔洞。（2）对于厚度较小的复合材料制件（厚度小于3.5mm），铺贴过程中冷抽压实频次对固化后试样单层厚度的影响较小，且二者间无明显的对应关系。（3）层压件在铺贴过程中，随着冷抽压实频次的减少，试样的力学性能（剪切强度）总体呈现下降趋势。（4）对于复合材料层压件，从铺贴效率、制造成本及力学性能上整体考虑，每铺贴3～6 层进行一层冷抽压实的效果最佳。