复合材料长桁共固化成型工艺研究

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摘 要：复合材料长桁种类主要包括“工”字长桁；“T”字长桁；“Ω”长桁等。长桁制造工艺采“复合式铺叠”，通过整体定位实现壁板及长桁共固化成型，各种长桁共固化成型完全采用数字化制造定位盖板，制造工艺上完全实现数字化在复合材料成型上的应用，使用该成型工艺保证壁板的成型质量及轮廓尺寸；长桁内部及外观质量；长桁行位公差有标志性的提高；整体构件质量。

关键词：长桁 整体成型 数字化盖板 共固化

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-0-02

该文描述热固性复合材料壁板类零件共固化成型工艺，长桁截面种类包括“工”字长桁；“T”字长桁；“Ω”长桁的成型工艺，采用新成型工艺解决在制造中出现质量问题，提高零件的成型质量及工作效率。复合材料壁板类零件制造采用长桁与蒙皮整体共固化成型工艺，辅以复合材料数字化制造工艺盖板，实现复合材料壁板类零件的整体成型。

1 制造用材料描述

1.1 材料描述

零件试验制造选用材料为cytec生产的环氧树脂基预浸料，选择材料为高温固化、高增韧环氧树脂基干法预浸料。碳纤维增强体是赋予复合材料制件的高强度和高模量等力学性能的关键因素。本预浸料是高强度碳纤维，纤维拉伸强度为5.59 GPa，拉伸模量为294 GPa，延伸率为1.9%，该材料已在多种机型上广泛

应用。

1.2 基体材料描述

复合材料基体材料在制件中是关键作用，（1）将增强体粘接成整体；（2）在纤维之间起传递载荷，并使载荷均匀；（3）保护纤维，防止纤维受损。复合材料的多数性能与基体材料密切相关，复合材料的耐热性、耐腐蚀性、阻燃性、抗辐射、耐溶剂性、吸湿及相关工艺性能都取决于基体材料。复合材料制件的成型工艺及固化参数都取决于基体材料。一般典型环氧树脂基体黏度曲线如图1所示，一般在77 ℃左右数值黏度达到最低，数值流动性最高。环氧数值在固化过程中通过化学反应交联成为三维网状结构。单纯的环氧数值固化后物性脆，制件CAI值很差，因此选用基体材料做增韧处理，该文涉及材料全部进行了高增韧处理。

1.3 环氧树脂性质

环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基，以脂肪族或芳香族有机化合物为骨骼并通过环氧基团反应能形成有用的热固性产物的高分子低聚体。环氧树脂及固化物的性能相似。

1.3.1 环氧树脂固化

环氧树脂含有伸张的三元环，非常容易和各种交联剂反应。固化树脂的性能不仅依赖于环氧树脂的结构，同时也依赖于固化剂的类型和用量，利用固化剂中的某些基团与环氧树脂中的环氧基或羟基发生反应来实现的。环氧树脂体系的固化速度有固化剂类型和用量、固化条件所决定。

1.3.2 环氧树脂结构与性能

环氧树脂实际上是含有不同聚合度分子的混合物，且部分分子可能支化，以及极少部分终止的基团是氯醇基团，因此，环氧树脂的环氧基含量、氯含量和分子质量分布等对树脂的固化及固化物性能有很大影响。环氧树脂的性能除与合成条件有关外，主要取决于分子结构，环氧树脂中的缩水甘油基团是柔性链段，可以降低树脂的黏度，提高工艺性能，但同时降低了固化树脂的耐热性。

1.3.3 环氧树脂增韧

环氧树脂最大的弱点是韧性差，固化后环氧树脂性脆，耐冲击性较差，容易开裂。因此用于高性能复合材料需要对其进行改性，主要途径有以下几种。

用弹性体、热塑性树脂或刚性颗粒等第二相来增韧。

用热塑性树脂连续地贯穿于热固性树脂中形成互穿网络来增韧改性。

通过改变交联网络的化学结构以提高网链分子的活性能力来增韧。

有控制分子交联状态的不均匀性来形成有利于塑性形变的非均匀结构来实现

增韧。

1.4 环氧树脂体系化学流变特性分析

1.4.1 动态黏度分析

某型号环氧树脂体系动态黏度测量曲线如图1所示。该树脂体系在90 ℃以下，树脂体系黏度最低，因此在制造工艺上需根据树脂的测量报告作出相应的工艺调整。

2 复合材料壁板类零件成型工艺参数分析

影响复合材料成型工艺的参数包括温度、压力、时间等要素。固化温度高低影响树脂与固化剂的反应活性，对于环氧树脂，固化一般是以固化剂为中心，反应由中心以辐射状向四周发展，形成两项球粒的固化网络结构。从力学性能角度环氧树脂在固化过程中分为四种状态：未凝胶玻璃态、黏流态、高弹态、凝胶后玻璃态。整个过程分为四个阶段：从未凝胶玻璃态到黏流态；从黏流态到凝胶点；从凝胶点经高弹态到凝胶后玻璃态；凝胶后玻璃态内的固化反应。其中，当黏流态到凝胶点转变时，树脂开始成为一个支化的巨大网络分子，但未完全交联，仍有部分链段可以滑移。而当高弹态到凝胶后玻璃态转变时，树脂已成为体型结构，链段运动被冻结。因此坯料在热压罐中固化，固化速率过快固化剂被包围无法与较远的大分子团反应，导致结构不均匀，网络交联密度相差较大，内应力大。因此选择合适的温度速率固化尤为重要。

3 复合材料长桁结构描述

国内飞机复合材料构件主要应用机尾翼、机身、舵面、整流罩、装饰等，在壁板制造上多采用复合材料壁板长桁结构，用以提高壁板整体弯曲、拉伸能力及稳定性。由于增强纤维复合材料属各向异性，长桁设计采取复合材料力学耦合设计，采用0 °、±45 °、90 °铺层组合，设计出满足载荷需求对称结构。

3.1 复合材料“工”长桁结构描述

“工”字长桁是由上翻边、卧边及左右立边构成，保证铺层对称耦合，长桁与面板泊松比匹配等要求。根据零件承载不同，长桁铺层角度比例合理。具体如图2所示。

3.2 复合材料“T”字长桁描述

“T”字长桁是由左、右立边及下卧边构成。具体结构如图3。

复合材料“Ω”长桁描述

“Ω”长桁结构是相对结构重量轻、总体结构稳定、固化内应力和翘曲变形最小，适于整体共固化成型。结构示意图如图4。

4 复合材料长桁工装描述

4.1 复合材料“工”字长桁工装改进

一般“工”字形长桁的工装为组合式工装，分为左成型模、右成型模与上档条，如图5。壁板、长桁工装材料采用与复合材料热膨胀系数相匹配的材料制造，盖板采用复合材料。成型工装、长桁工装、定位盖板采用数控加工制造，定位盖板与成型工装采用定位销连接，保证数字化传递的准确性。在长桁工装两侧增加定位耳片，保证长桁卧边质量。

4.2 复合材料“T”字长桁工装改进

“T”字形长桁的工装为组合式工装，分为左成型模、右成型模与上限位块，如图6。工装材料采用与复合材料热膨胀系数相匹配的材料制造。上限位块主要是控制长桁立边厚度及成型偏差。在长桁工装两端面预留台阶便于脱模。

4.3 长桁0 °纤维填充工装

长桁0 °纤维填充工装针对长桁不同R角设计的填充工装，保证中间空隙填充致密及纤维方向。具体工装形式如图7。

5 整体固化成型

整体化结构是最近几年人们才提出的一种设计理念。所谓整体化结构就是指结构在设计制造时尽量采用一次成型的技术取代由零部件经紧固件进行连接组合而形成的整体结构。整体化结构一般分共固化、胶结共固化、二次胶结三种方式。共固化就是指坯料1和坯料2固化形成的整体结构件。长桁定位采用数控加工盖板，保证数字化传递的准确性，又能保证零件的轮廓尺寸和成型质量。

壁板共固化具体工艺流程如下：

在胶接前完成长桁和壁板预浸料的铺叠并分别进行预压实处理；清理胶接表面的污染。

按数模精确定位长桁。

控制固化参数，完成胶黏剂及树脂基体的固化交联反应。

总体流程图如图8所示。

6 热压罐整体成型技术

热压罐成型工艺具有罐内的加热温度及固化压力分布均匀，构件的几何形状几乎没有限制，适用范围广的特点。与液体整体化成型工艺相比，热压罐工艺可以成型树脂基体粘度高、高纤维体积分数、需要高温高压工艺条件的整体化结构件。热压罐内循环流动的加热（或冷却）气体使罐内各点气体温度基本相同，在模具结构合理的前提下，可保证密封在模具上的复合材料构件升降温过程中各点温差较小。同时，因为用压缩空气、惰性气体或二者的混合气体向热压罐内充气加压，作用在真空带表面上的压力相同，使真空带内的构件在几乎均匀的压力下成型、固化。热压罐成型工艺所用的固化模具相对比较简单，效率高，适合大面积复杂型面的蒙皮、壁板和壳体的成型。可以成型或胶接各种飞机构件。

若热压罐尺寸大，一次可放置多层模具，同时成型或胶接各种较复杂的结构及不同尺寸的构件。热压罐的温度和压力条件几乎能满足所有聚合物基复合材料的成型工艺要求，包括低温成型的聚酯基复合材料，高温和高压成型的PEEK复合材料，以及RFI等工艺的成型。热压罐制造出的构件孔隙率较低，树脂含量均匀，构件力学性能稳定、可靠。

7 结语

（1）该文通过改进长桁工装的形式，解决加筋壁板的制造难题。（2）解决盖板的精确制造及加工，保证数字化传递的准确性，解决加筋壁板共固化过程中的精确定位。（3）分析了环氧树脂基本工艺性能，针对长桁整体成型的特点，选择合理固化参数。（4）解决复合材料共固化长桁及组合工装上的典型问题。

参考文献

[1] 赵渠森.先进复合材料手册[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2] 益小苏.先进树脂基复合材料高性能化理论与实践[M].国防工业出版社，2011.

[3] 益小苏.复合材料手册[M].北京：化学工业出版社，2009.