复合材料夹层结构蜂窝芯材探讨

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摘要：本文分析了复合材料夹层结构蜂窝芯材常见的压塌损伤，介绍了固化过程中影响芯材压塌的原因、影响因素、芯材压塌的稳定性和芯材特性，给出了处理芯材压塌的常用程序和控制芯材压塌的常用方法，对于防止复合材料夹层结构制造和维修过程中产生压塌缺陷具有较强的指导意义。

关键词：夹层结构；芯材压塌；复合材料

引言

复合材料夹层结构由面板、夹芯以及连接两者的某种手段（如胶粘剂或铜焊）组成。夹层板的面案承受弯曲载荷（一块面板承压，另一块面板承拉）或在某些情况下承受面内剪切载荷，面板的主要性能为压缩、拉伸、剪切强度和模量，夹芯性能主要包括密度、压缩强度和模量、剪切强度和模量、拉伸强度。夹层板有多种失效模式，每种失效模式都会限制夹层结构的承载能力。夹层结构的失效可能由诸多因素引起面板、芯材及胶层的强度发生变化，失效模式通常有面板失效、芯材剪切失效、芯材压塌、芯材压溃、芯材拉伸失效、面板/芯材脱胶、对称面板皱曲、整体屈曲和剪切皱折等形式。由于在夹层结构的制造和修理固化过程中均可能发生芯材压塌，而且除最轻微的压塌外，其他都是不可接受、不能修复的，因此分析夹层结构蜂窝芯材的压塌，具有较强的理论和实际意义。

1蜂窝芯材压塌的理论分析

芯材压塌一般是度量发生在固化时蜂窝芯材部位的变形和位移。理论上，将导致芯材压塌的发生归结为一系列基本要素和摩擦。部分导致芯材压塌的不可预测原因是摩擦因数。摩擦分为静态和动态摩擦，静摩擦比动摩擦要高。达到最大静摩擦前，基本不会发生位移。一旦超过最大静态摩擦，低一些的动摩擦导致快速的位移。芯材的压塌一般与倒角区域有关，在芯材平面，倒角区域一般在高压容器的压力下发生变形和移动，如图1、图2所示。芯材的刚度一定程度上可以抵抗固化容器的作用力，一般在厚度方向上比较好，但蜂窝倾向于在垂直芯胞方向的硬度低一些。任何几何的变化都可能改变芯材部位抵抗这些作用力的能力，使用高密度芯材有助于抵抗芯材的压塌。预浸料面板对固化作用的抵抗力不大，这很大程度上取决于织物结构、表面处理和加强的尺寸。全部的阻力与层数成比例，如果面板是预固化的，面板对芯材压塌的阻力会增大。主要决定芯材压力能否从大气压力变化到真空或者接近真空的变量是面板的渗透性，在室温下，芯材中保持大气压力。渗透性越好，在真空中的时间越长，芯胞中的压力越接近真空。当达到给定的固化压力，真空袋会通气达到大气压力。固化时，芯胞中的气体会由于温度的升高而膨胀以抵抗施加的压力，这降低了将面板压到芯材的有效压力的作用。如果在固化时，芯胞中的气体漏出，有效压力将会变化。

2固化中芯材压塌的稳定性

芯材胶接到面板前，在固化中力的作用很容易使芯材变形。在芯材与面板共固化时，为了加固相对较轻的芯材，芯材一般需要稳固。固化中，需要的芯材质量可能比不使用额外程序成功固化的要轻一些。对于严重的芯材压塌案例，可能需要更多的操作，有时解决芯材压塌的最直接、最有效的方法是预固化面板。泡沫芯材也会遭遇芯材压塌问题，一般热塑性泡沫可以通过致密化过程解决，在超过面板和芯材胶接的温度下，使外表面发生变形，这就产生了一个更高密度的表面以阻挡固化时进一步的、不均匀的变形。为防止固化时铺层滑移，可通过束缚或机械装置以降低芯体压塌。通常使用摩擦、控制条或在固化后修剪宽的边带，这会增加有效摩擦，从而防止滑移和芯材压塌。在铺层工具的零件周边使用贴有黏合条的砂纸或者固定条，然后错开，将层压板放到黏合条上。使用这种方法时，至少2层（紧贴芯材的上下两层）应错开贴到控制条上。处理芯材压塌的另一个普通的方法是在芯材的表面（或两个面）预固化一层胶膜，这会增大芯材在固化时抵抗芯材的变形力。在进行任何稳定操作前芯材都必须进行储存和干燥，类似于所有的胶接操作，预防固化变形的程序应在满足要求的无尘室中完成。铺层完成后，芯材须按照下面程序进行包装：①如果需要，在工程板或工具上铺一层无孔的隔离膜，隔离膜要超过芯材边缘2～6英寸；②将蜂窝芯材组装件放置到隔离膜上；③在芯材组装件上铺另一层无孔的隔离膜；④在铺层上方铺1或2层干燥的透气的布或类似材料，使用另外的干燥布覆盖尖角和其他突出部分，以防止在固化时真空袋被刺穿；⑤在整个组装件上套一个尼龙真空袋，并用密封胶密封到工具上。如果组件会在下一步再进行固化，那将经历额外的固化周期，这可能会缩短胶膜和预浸料的保压固化时间。

3芯材压塌的控制因素

为防止芯材的压塌，必须使用一些组合效果来抵消作用在芯材上的力的水平分量（夹层结构的平面，垂直于芯胞墙），这包括机械阻力（机械束缚或者摩擦控制条），来自于边带处的摩擦滑动的阻力（随着边带宽度的增加而成线性增加）和芯材本身可以提供的阻力，一般情况下，减小倒角可以将芯材压塌最小化。预浸料的渗透性是许多加强件和树脂参数的函数。有许多的加强参数会影响预浸料的渗透性，即编织的松紧度，纤维和织物的重量，还有纤维和粗砂的扭曲情况。纤维不能扭曲或者扭曲后反扭曲、纤维和织物的尺寸和表面也会影响预浸料的渗透性。树脂中主要影响预浸料渗透性的参数是树脂的黏性，这归结于树脂的化学成分和成形。另外，树脂的黏性与时间有关，因此在货架存储器、外置期及固化期其性能在不断变化。预浸料中的树脂含量也会影响渗透性，即由于预浸料制造过程中产生的加强部分树脂的分布不同，但对渗透性影响不明显。由于各方面的原因，制造中一些预浸料的加强部分没有完全被树脂浸湿，但随后预浸料的加工可以帮助完成树脂的分布。由于这些复杂性，通过模拟固化周期，可以测量出代表面板的渗透性，这可能会容易一些。摩擦是导致芯材压塌的主要方面。摩擦是由作用力和渗透性下的许多因素决定的，这些因素都已论证过。树脂黏性是一个特别重要的参数，也是其他参数的函数。树脂有剂的作用，预浸料树脂在层间滑动方面起着剂的作用，由于黏性，性可能发生变化。树脂含量和树脂分布用来度量层间滑动的有效剂含量。加强的材料、尺寸、表面处理都是影响加强的摩擦因数。由于影响因素的复杂性，对一个给定的零件，一个看上去很小或没有被注意的变化都可能影响芯材的压塌反应。

4芯材压塌的控制因素

使用机械带或控制带等外部办法可以明显提高层间的摩擦力，防止层间的滑动。在芯材表面，使用一层预固化的胶膜或者预浸料会明显增加芯材的硬度，能更好地抵抗固化作用力，对芯材和外界之间的渗透性阻碍不明显。另外，对于预固化面板，最大化所有面板的刚度、摩擦和渗透反应可以阻止芯材压塌。在摩擦力的基础上，预浸料树脂和胶膜的黏性会显著地影响芯材变形，可以使用填充材料或其他流变改变剂来改变黏性曲线，从而增加预浸料或胶膜的硬度。在温度和黏度范围内，与纤维层的树脂性一样，固化周期中的预浸料树脂黏度曲线也是一个影响因素，它可能影响树脂黏性的化学分子和配方，从而影响芯材压缩变形。由于黏性曲线同时影响抵抗阻力的能力和树脂的性，所以在冷库中或室温下老化的预浸料的数量会影响固化程度和黏性曲线。一些系统随温度的变化更加敏感，即加热预浸料过程会明显影响芯材的变形水平。由于黏度的影响依赖于温度，预浸料渗透性可能在高温固化时发生明显改变，而在预浸料制作时，这些摩擦和渗透的基本因素通常不受控。预浸料的柄、帘、体或刚度性能也是抵抗滑移的一个因素，相同的树脂和纤维会由于纤维或织物制造过程中的尺寸受到明显影响，反过来也会抵抗树脂的流动，增加有效黏性，有助于抵抗芯材压塌。通过改变树脂在预浸料中的物理分布，树脂浸入过程也会影响芯材压缩变形。轻一些的浸入，会使大部分的树脂留在表面，这会给提供更多的树脂，也会导致更高的芯材变形。如果更为先进的浸透使更多的树脂流入纤维，而少一些树脂用来，那么层间的摩擦会升高。在预浸料加工过程中，致密化水平也是一个影响因素，但其在某种程度上是独立的。相比于未致密的材料，其致密化会降低摩擦因数，也会降低透气性。编织越开放，树脂越容易进入加强处内部和下表面。考虑到这些关系和其他可能导致不利的方面，低树脂含量会增加芯材变形。也可通过改变纤维束和编织方式提高层间摩擦因数，降低压塌发生。纤维纱的物理构造不能扭曲、再扭曲或扭曲后反扭曲。扭曲的纤维一般具有最大的摩擦因数，增加纤维的缠结和摩擦。纤维越不平行，纤维能提供的流阻越大，从而提高了透气性。预浸料的透气性连同面板厚度、压力、时间曲线决定芯胞的压力水平。温度改变会使芯胞中残留的气体膨胀，导致压力短期的轻微增加，但气体会随着时间慢慢排除。扭曲的材料具有较高的透气性，平行的材料透气性较低，特别是预浸料在材料制造时已经被处理过（额外致密化）。为提高共固化面板的质量，可以使用内部包装压力技术提高芯胞压力。由于在芯胞中有一定程度的气体压力，因此面板会有小程度的树脂压力，如果压力过高，气体可以承担一些载荷，降低芯材和面板的摩擦。在固化时，芯材漂浮在层间，会导致芯材变形或在芯材和面板间连接不到位。

5结语

本文研究了复合材料夹层结构蜂窝芯材的压塌缺陷，阐述了导致芯材压塌的一系列基本要素，并给出了控制芯材压塌的控制因素和途径，为飞机复合材料夹层结构蜂窝芯材的制造和维修提供了有效依据，具有较好的参考价值。

参考文献

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[3]刘雄亚，谢怀勤.复合材料工艺及设备[M].武汉：武汉理工大学出版社，2014.

[4]黄家康.复合材料成型技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2011.

[5]汪海，沈真.复合材料手册[M].上海：上海交通大学出版社，2016.

作者：王凯 单位：中国民用航空飞行学院洛阳分院