复合材料夹芯板蜂窝芯格流胶缺陷行为研究

卢政斌 张丽薇 徐霆耀 杨赛格

摘 要 蜂窝芯格内部流胶是一种随机性较强且常规无损检测方法难以准确判断的故障类型，通常归为无损异常缺陷，但破坏后的故障状态又明显异于常规的结构性缺陷，因此，本文通过热压罐共固化成型工艺制备铝蜂窝夹芯玻璃纤维环氧预浸料复合材料夹芯板，研究了蜂窝芯格内部流胶缺陷的形成机理及其在各种检测状态的故障表现。研究结果可有效指导蜂窝结构复合材料夹芯板流胶缺陷的处置和过程控制，具有重要科研与实践价值。

关键词 复合材料；热压罐；蜂窝；流胶；缺陷

ABSTRACT The resin flow inside the honeycomb core is a kind of fault type with strong randomness and difficult to be accurately judged by conventional non-destructive testing methods. It is usually classified as non-destructive abnormal defects， but the fault state after destruction is obviously abnormal. Therefore， this paper uses the autoclave co-curing process to prepare the aluminum honeycomb sandwich glass fiber epoxy prepreg composite sandwich panel. Study the formation mechanism of resin flow defect in honeycomb core and its fault performance in various detection states. The research results can effectively guide the disposal and process control of resin flow defects in honeycomb sandwich panels， and have important scientific research and practical value.

KEYWORDS composite; autoclave; core; resin-flow; failure

1 引言

近年來，随着复合材料关键成型技术的突破，复合材料零件的过程质量控制也已成为业内广大学者的关注重点。目前，对于复合材料零件的制造过程控制主要集中在热场均匀性控制[1，2]、固化变形[3]、界面质量[4]以及机械加工损伤[5]等方面。

在复合材料零件实际的制造过程中，对于蜂窝夹芯壁板，蜂窝芯格内部流胶一种随机性较强且常规无损检测方法难以准确判断的故障类型，一般仅能在无损结果异常判定后，通过不可逆的破坏性方式确认故障形式，且因为随机性较强、故障样本少，对其成型机理的分析和预防十分困难。本文所述的蜂窝芯格流胶不包含板-芯胶接区胶瘤[6]及面板树脂对芯材的过渡浸润，面板树脂对芯材的过度浸润故障通常不会导致明显的无损检测异常，且在确定材料牌号及工艺参数后通常不会出现；本文所述芯格流胶故障是指一定区域内蜂窝芯格内部被疏松的孔隙树脂大量填充的故障状态，多发生于蜂窝边缘，因为泡沫结构或蜂窝壁屈曲对超声检测信号的强衰减，通常会伴随强烈的无损检测异常，对于该类故障目前没有一个准确的定义以及定性定量的影响分析，通常用分层、外来物等严重故障类比进行处置，容易导致不必要的产品返修或产品报废。

常见的蜂窝结构变形主要包含蜂窝屈曲、芯格撕裂、节点分离、表面凹陷等，一般航空制造规范中会对上述蜂窝结构缺陷的接受限、返工限及拒收限作出明确的界限定义，以保证复合材料夹芯板制造过程的有效质控，但是对于蜂窝边缘芯格堆叠、芯格壁未破损倒伏等可恢复性变形缺陷未做明确的界限区分及权限控制，以某总体单位的过程规范为例，对于蜂窝边缘芯格堆叠仅要求使用镊子小心的恢复原有芯格结构特征及边界外形即可，在实际生产过程中，对于该类故障也以修复后的状态检查为最终结论。

以某型飞机尾翼壁板为研究对象，该壁板零件为玻纤环氧预浸料/铝蜂窝夹层结构，该型飞机在设计之初为考虑减重，取消了传统构型中蜂窝上下面板的整铺层胶膜，仅保留下面板部分条带状胶膜用于蜂窝稳定，固化过程中主要依靠预浸料中的自浸渍树脂完成对蜂窝芯材的黏附浸润。在实际生产中，统计了362项该构型零件的生产数据，其中有蜂窝芯格流胶故障6项，故障发生率在1.6%左右，流胶故障面积在1平方英寸～4平方英寸不等，该区域在使用超声C扫描进行无损检测探查时，表现出强烈的声波衰减，将该故障提交工程部门评估，解答反馈中约40%为去层修补，约60%为产品报废，处置方案与同尺寸的分层缺陷及外来物缺陷类似。

蜂窝材料面外压缩强度很高，而侧向强度较低[7]，尤其是蜂窝导角区域边缘在实际运输、加工、存贮过程中，蜂窝零件倒角边缘产生非结构损伤性变形是较为常见的。本文针对该类故障的形成机制进行了初步的分析，探讨了蜂窝芯格结构变形与蜂窝芯格流胶缺陷的关联影响及作用形式，同时对蜂窝芯格流胶缺陷对胶接质量的影响进行了关联分析，这对于蜂窝夹芯零件的成型质量控制及故障零件处置方法具有实际指导意义及参考价值。

2 试验方法

2.1 原材料

试验材料如表1所示，包括：玻璃纤维预浸料、铝蜂窝。

2.2 试验过程

对铝蜂窝边缘进行芯格壁卷曲、芯格结构倒伏堆叠等常见蜂窝边缘损伤故障模拟，故障状态如图1所示。

（1）故障a：深度9.5mm，长度54.5mm，故障状态为芯格卷曲及倒伏堆叠变形；

（2）故障b：深度5.5mm，长度15.5mm，故障状态为芯格堆叠变形。

使用镊子对模拟的蜂窝芯格故障进行状态修复并进行位置标记，修复后蜂窝按工艺规范进行蜂窝最终状态及外观质量检查，最终状态符合制造规范要求。

使用手工铺层方法铺叠成型，铺层结构为（45°/0°/0°/45°/45°/0°）S，采用真空袋热压罐法完成制件最终固化，固化工艺选择127℃保温2小时，全程加压300Kpa，真空袋内通大气。

3 结果与讨论

对固化后的零件进行外观检查、敲击检查、背光检查及C扫检测，C扫描检测设备为：USL LND-1型，并对故障区域进行破坏试验，对典型故障区域的破坏试样进行光学显微镜界面检查。

固化后零件外观状态平整均一，夹芯板蜂窝倒角区域圆滑过渡，零件表面无凹坑、印痕、蜂窝边缘塌陷等外观质量问题，零件外观状态如图2所示。

对故障区域补充背光检查及敲击检测，背光检测结果如图3所示，在图中可以明显看到故障区域的蜂窝芯格内存在树脂色背光阴影。图3（a）为正常区域背光检查状态，图3（b）为故障区域背光检查状态，图3（b）中蜂窝芯格结构完整，无侧向芯格压缩特征，芯格内胶液填充状态明显、清晰。敲击检测过程中，故障区域的敲击声音沉闷，非故障区敲击声音清亮。

对蜂窝边缘区域的层板区厚度进行了厚度测量，测量点位选取如图4所示，层板区以蜂窝边缘为起点，向外每间隔5mm线性设点，图4（a）为正常区域临近层板，图4（b）为故障区域临近层板。

测量厚度值如图5所示，其中图5（a）为故障区层板厚度与正常区层板厚度对比，在图中可明显看出故障区层板厚度整体小于正常区层板厚度，且二者的层板厚度沿层板边缘的切向变化趋势相对一致，差值相对恒定，图5（b）为分别选取故障区与正常区的一条厚度代表曲线进行对比，从图中厚度数值的变化可以看出，故障区域边缘的层板厚度相较正常区域层板厚度最大处薄了0.149mm左右。通过以上数据对比，相较正常芯格边缘层板，故障区域的临近层板内树脂存在大量流动性迁移损失。

图6为试验件C扫描检测图像，其中预制b缺陷C扫描检测正常，无异常反应，预制a缺陷的蜂窝缺陷模拟区域出现了明显的C扫描超声衰减区，且缺陷范围与预制缺陷尺寸相当，C扫检测结果如图6所示，C扫描故障描述声波衰减为  22.4dB。对比预制的b缺陷及未损伤区域，可知恢复外形后的蜂窝芯格压缩变形缺陷不会导致蜂窝流胶故障，且与变形缺陷尺寸无关联影响；对比预制的a缺陷及b缺陷區域，可知蜂窝芯格壁屈曲变形与蜂窝芯格流胶之间具有关联性，且故障状态基本无法因后续的结构外形恢复工作而得到改善，另外，当发生芯格屈曲倒伏变形时，虽然结构外形仍可恢复，但同芯格壁堆叠变形不同的是，此时铝合金蜂窝的结构刚度、疲劳强度受到了很大的衰减。

对所有的C扫描缺陷区进行了破坏试验，主要考察了故障区域的截面状态差异及胶接界面状态差异，夹芯板截面状态差异如图7所示，图7（a） 为正常区域截面状态，图7（b） 为故障区域截面状态。对比图7（a）与图7（b）故障区域与正常区域的夹芯板截面状态，发现故障区域的芯格内有大量树脂填充，树脂富含大量孔隙及空腔，结合图5中的层板厚度变化差异，基本可判断出故障区域的填充树脂来源于临近的层板区，固化过程中，层板区域受到的热压罐固化压力由纤维及树脂共同承担，树脂静压力较大，而夹芯板区域，仅芯格壁接触区域承载了热压罐的固化压力，芯格内部区域的面板树脂仅承受芯格内的内部气压，该区域的树脂静压相对较小，正常芯格完好的情况下，芯格内部具有良好的气密结构，芯格之间、芯格与层板过渡之间没有有效的气路及树脂流动通路，彼此形成一个个独立的结构单元，但当这种密闭结构因芯格壁发生变形、损伤或疲劳时，气密结构易被破坏，层板区树脂在不同区域树脂静压差的驱动下，向蜂窝区域发生面内树脂流动，并沿芯格壁填充蜂窝芯格腔包，因芯格内树脂静压低，填充树脂内部挥发分及交联反应产生的小分子物质成核扩展形成孔隙，同时芯格内原有气体受热膨胀与填充树脂裹挟在一起，形成了疏松的孔隙树脂状态。

对破坏试验的典型试样进行金相测试，胶接界面状态差异如图8所示，其中图8（a）为故障区域芯格壁与预浸料层板接触的典型状态，芯格壁与层板接触紧密，胶接区域的层间无分层、孔隙等缺陷特征，但是在个别试样中芯格壁顶端存在有明显卷曲变形的结构特征，图8（b）为正常区域芯格壁与预浸料层板接触的状态，芯格壁基本保持原有的垂直结构。

4 结语

（1）芯格壁顶端卷曲或芯格疲劳性堆叠损伤是夹芯板边缘蜂窝芯格内部流胶故障产生的根本原因，芯格内树脂来源于临近层板区树脂的面内流动，非疲劳性堆叠损伤的可恢复性芯格变形不会导致蜂窝芯格内部流胶，在实际生产过程中，应制定具备不同程度蜂窝边缘变形检测标准的质控规范，及严格的蜂窝周转防护措施及设备，防止严重的蜂窝损伤及异常故障的出现。

（2）蜂窝流胶故障虽然会导致C扫面检测异常，但是蜂窝流胶对夹芯板胶接质量并无明显影响，胶接区域未见缺陷特征出现，层间粘接强度待进一步实验确定。

参考文献

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[3]  杨青，卫原平，刘卫平，等．复合材料C/L型结构固化变形的影响因素分析 .航空制造技术，2019，62（4）： 87-101．

[4]  泮世东，吴林志，孙雨果，等．含面芯界面缺陷的蜂窝夹芯板侧向压缩破坏模式 .复合材料学报，2007，24（6）： 121-127.

[5]  张厚江．碳纤维复合材料（CFRP）钻削加工技术的研究.北京航空航天大学博士学位论文，1998．

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[7]  郝新超，胡杰. Nomex蜂窝夹层结构侧向变形机理及蜂窝稳定化. 航空制造技术. 2020，63（13）： 69-74．