郭鴻俊 高 楊 辛 紅 高小方 李桂洋

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）（2 火箭軍駐519廠軍事代表室，北京 100076）

0 引言

先進樹脂基復合材料廣泛應用于航天運輸系統(tǒng)及導彈武器系統(tǒng)承力結(jié)構(gòu)部件，但傳統(tǒng)熱壓罐工藝存在設備成本高、運行能耗大、成型效率低、構(gòu)件尺寸受限及模具費用高等缺點，導致復合材料制造成本過高（約占總成本的70%～80%[1-3]），不利于制備工藝的進一步提高。目前，樹脂基復合材料低成本制造聚焦于非熱壓罐工藝技術的開發(fā)應用[4-7]，例如RTM、真空固化、模壓成型及軟模成型工藝。其中閉合模軟模成型工藝不需要附加真空和壓力，利用硅橡膠芯模產(chǎn)生均勻膨脹壓力對復合材料預制體加壓，通過烘箱進行加熱固化。該方法適用于復雜結(jié)構(gòu)的整體共固化成型，解決了多內(nèi)腔/多型面構(gòu)件的整體成型問題[8-10]。

一般情況下，復合材料多內(nèi)腔/多型面結(jié)構(gòu)在成型過程中容易產(chǎn)生分層、孔隙及疏松等內(nèi)部缺陷，尤其是預制體拼接點、L形拐角、變厚度過渡區(qū)等特殊部位[11]。雖然硅橡膠芯模能夠產(chǎn)生均勻的膨脹壓力，對預制體各型面進行加壓，但針對某些復雜構(gòu)件仍無法有效避免或減少內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，影響了復合材料構(gòu)件的承載能力，同時腔體尺寸不能得到有效控制也限制了閉合模軟模工藝的進一步擴大應用。

本文以MT700/603與MT700/603B復合材料體系為研究對象，并根據(jù)603與603B環(huán)氧樹脂基體黏度的差異，比較其復合材料軟模成型膨脹壓力、加壓時機及固化工藝設計方法，同時考察兩種不同黏度樹脂基體對軟模成型的工藝適應性，通過某工形支撐梁的纖維質(zhì)量分數(shù)與內(nèi)部缺陷檢測結(jié)果，驗證軟模成型工藝設計的有效性與穩(wěn)定性。

1 實驗

1.1 材料

MT700-6k碳纖維，河南永煤碳纖維有限公司；603、603B環(huán)氧樹脂及MT700/603、MT700/603B預浸料（預浸料厚度0.15 mm）；R10301硅橡膠，成都有機硅研究中心。

1.2 試驗件結(jié)構(gòu)

選取某支撐梁為研究對象，其局部結(jié)構(gòu)試驗件如圖1所示。該試驗件截面為工字形，尺寸為：200 mm×60 mm×80 mm，腹板厚6 mm，椽板厚4 mm。腹板與椽板不等厚增加了成型工藝難度和質(zhì)量控制風險。

圖1 某支撐梁試驗件截面圖Fig.1 Supporting-beam specimen cross section

1.3 試驗件制備

試驗件制備過程主要包括預浸料鋪層、預制體拼接及模具組裝，如圖2所示。預浸料鋪層分為腹板（形料塊與椽板-形料塊），其中腹板（形料塊3 mm）鋪層順序為[+45o/-45o/0o/90o/0o2/90o/0o/-45o/+45o]2，椽板-形料塊1 mm鋪層順序為[+45o/-45o/0o/90o/0o/-45o/+45o]；預制體通過兩塊腹板（料塊對襯拼接），上、下面分別鋪覆椽板-料塊，制得工形試驗件預制體；模具組裝是將硅橡膠芯模置于預制體受壓型面內(nèi)腔，然后鎖緊閉合模腔，待固化。

圖2 某支撐梁試驗件制備示意圖Fig.2 Supporting-beam specimen preparation scheme

1.4 實驗儀器

流變分析：Brookfield DV-II+流變分析儀。掃描電子顯微鏡：德國ZEISS掃描電子顯微分析儀。光學顯微鏡：德國萊卡光學顯微鏡及成像分析系統(tǒng)，按照GB/T3365—2008進行制樣與測試。超聲波無損檢測：超聲波無損檢測系統(tǒng)（A掃描）。

2 結(jié)果與討論

2.1 603與603B軟模成型工藝設計

2.1.1 603與603B樹脂黏度特性與固化工藝

MT700碳纖維的表面微觀形貌如圖3所示，明顯可以看出MT700碳纖維表面均勻分布溝槽，纖維表面粗糙度較大，能夠與樹脂基體產(chǎn)生較強的“機械嚙合力”。這種界面的存在雖然可以提高復合材料界面性能，但是復合過程中不利于樹脂基體對纖維表面的充分浸潤，因此，針對不同黏度的樹脂基體需要適當改變成型壓力，以保證纖維與樹脂界面的充分浸潤與有效結(jié)合。

圖3 MT700碳纖維表面形貌Fig.3 Surface morphology of MT700 carbon fibers

603與603B均為高性能環(huán)氧樹脂，二者區(qū)別在于基體黏度不同。低黏度603樹脂具有良好的流動性，更容易浸潤增強體表面，而高黏度603B樹脂則能夠更好地實現(xiàn)初始加壓，其復合材料成型工藝性更好。圖4為603與603B樹脂黏-溫度曲線（升溫速率為1℃/min），603樹脂低黏度平臺較寬，介于100～170℃，其固化過程有利于對纖維表面的充分浸潤，但需要精確控制固化工藝參數(shù)。

圖4 603與603B環(huán)氧樹脂體系黏-溫曲線Fig.4 Viscosity-temperature curves of 603 and 603B epoxy resin

可通過加壓點與凝膠點的準確配合，以保證復合材料纖維質(zhì)量分數(shù)與內(nèi)部質(zhì)量；而603B樹脂最低黏度平臺出現(xiàn)在120～150℃，固化過程中樹脂流動性較差，能夠?qū)崿F(xiàn)初始加壓，不要求工藝參數(shù)的精確配合。為保證復合材料良好的界面結(jié)合，需要結(jié)合增強纖維表面形貌狀態(tài)，提高成型壓力強迫樹脂流動與纖維浸潤。

兩種環(huán)氧樹脂參考固化制度均為（135±5）℃/1 h～（180±5）℃/3 h，參考升溫速率（30±5）℃/1 h。由于603環(huán)氧樹脂體系黏度較低，固化過程分為三個階段，固化時間17.6 h，如圖5（a）所示。階段（一）中，將溫度設定為（90±5）℃/1 h，以提高樹脂黏度，避免直接升溫至凝膠點硅橡膠膨脹壓力過大，導致樹脂過度擠出，同時降低升溫速率也可避免壓力過快升高；階段（二）的溫度為（135±5）℃/2 h，樹脂凝膠與構(gòu)件定型，保證有效的膨脹壓力；階段（三）的溫度為（170±5）℃/4 h，樹脂處于充分固化階段，此時膨脹壓力對產(chǎn)品定型作用減小，適當降低固化溫度并延長保溫時間，以降低芯模膨脹壓力過大而引起的構(gòu)件及模具變形風險。

603B黏度較高，升溫階段壓力逐漸增大不容易引起樹脂的過度擠出，可以實現(xiàn)對MT700/603B復合材料體系進行兩階段固化工藝參數(shù)優(yōu)化，如圖5（b）所示，固化時間僅需要15.2 h，固化周期縮短了13.6%。階段（一）直接升溫至（135±5）℃/1 h，有利于加強纖維與樹脂的致密程度，保證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量；階段（二）（170±5）℃/4 h，保證樹脂充分固化，同時降低應力變形風險。固化過程適當降低升溫速率（25±5）℃/h使得硅橡膠芯模充分膨脹加壓，降低局部膨脹不均勻引起的尺寸與缺陷工藝風險[11-12]。

圖5 603與603B樹脂軟模成型工藝參數(shù)Fig.5 Thermal expansion process parameters of 603 and 603B resin

2.1.2 硅橡膠芯模膨脹壓力設計與計算

R10301硅橡膠澆注性能好，揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)低，尺寸穩(wěn)定性好，最高使用溫度達到200℃，選為實驗芯模材料?；w樹脂凝膠時，芯模膨脹壓力可以表示為[9-10]：

式中，Pgel為樹脂基體凝膠時芯模的膨脹壓力，k為芯模彈性模量，ΔV為凝膠溫度下芯模加壓有效體積膨脹量，Vgel為硅橡膠芯模從室溫trt至凝膠溫度tgel產(chǎn)生的自由熱膨脹量。Vgel和ΔV可以表示為：

式中，Vrt為室溫下芯模體積，α為芯模體脹系數(shù)，ε為內(nèi)腔設計體積與室溫下芯模體積比值，即ε=VD/Vrt。

硅橡膠芯模體脹系數(shù)與彈性模量隨溫度的升高而變化，如圖6所示。硅橡膠體脹系數(shù)隨著溫度的升高先減小后增大，彈性模量隨溫度的升高而降低，根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行膨脹壓力設計與計算。

按照Pgel為1、2、4 MPa進行硅橡膠芯模壓力計算，三種壓力模式的計算結(jié)果列于表1中，進一步通過驗證試驗控制復合材料厚度尺寸及內(nèi)部缺陷。

圖6 硅橡膠R10301的體脹系數(shù)及彈性模量Fig.6 Volume expansion coefficient and elastic modulus of R10301 silicone rubber

表1 膨脹壓力及工藝間隙設計與計算Tab.1 Design and calculation of expansion pressure and process gap

2.2 603與603B軟模成型工藝

圖7為MT700/603與MT700/603B復合材料斷面照片。從圖7（a）可看出低黏度603樹脂隨著設計壓力的提高，凝膠前樹脂擠出量增大，復合材料的纖維密實程度明顯提高，復合材料產(chǎn)生貧膠缺陷的風險較高；從圖7（b）可看出1 MPa與2 MPa設計壓力下的纖維密實程度基本一致，4 MPa設計壓力下的纖維密實程度有所提高，表明高黏度603B樹脂在凝膠前樹脂不容易被擠出，復合材料不容易產(chǎn)生貧膠缺陷。對比兩種材料在相同設計壓力下的復合材料纖維密實程度，MT700/603均明顯高于MT700/603B，表明MT700/603B體系能夠更好地維持復合材料內(nèi)部樹脂質(zhì)量分數(shù)。

圖7 MT700/603與MT700/603B復合材料斷面照片F(xiàn)ig.7 Cross section photograph of MT700/603 and MT700/603B

MT700/603試驗件設計壓力較低時，局部加壓不均勻或者壓力不足，容易出現(xiàn)表面富樹脂現(xiàn)象，試驗件典型局部分切單元如圖8（a）所示，腹板表面出現(xiàn)壓力不足引起的局部亮斑；設計壓力過高則容易造成樹脂過度擠出，容易產(chǎn)生表面貧膠現(xiàn)象，試驗件典型局部分切單元如圖8（b）所示，椽板表面出現(xiàn)壓力過大引起的局部干斑。

MT700/603B則表現(xiàn)出較強的工藝適應性，設計壓力1 MPa與2 MPa均表現(xiàn)出良好的表面質(zhì)量，試驗件如圖9所示。可以看出，超聲波無損檢測結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)缺陷，腹板厚度介于5.90～6.50 mm，椽板厚度2.95～3.30mm，表現(xiàn)出良好的尺寸穩(wěn)定性。

圖8 MT700/603試驗件局部單元Fig.8 Local unit of MT700/603specimens

圖9 MT700/603B試驗件外觀Fig.9 Appearance of MT700/603B specimens

2.3 支撐梁構(gòu)件工藝驗證

基于603與603B軟模成型工藝設計與試驗基礎，選擇MT700/603B復合材料體系的硅橡膠軟模膨脹工藝進行某支撐梁構(gòu)件的研制，硅橡膠芯模尺寸按照膨脹壓力2 MPa進行設計，驗證工藝設計的可行性及可靠性。對10件井字梁構(gòu)件纖維體積分數(shù)及無損檢測結(jié)果進行統(tǒng)計，纖維體積分數(shù)在58.5%～60.3%，符合60%±5%的設計要求，無損檢測結(jié)果列于表2中。

表2 支撐梁構(gòu)件無損檢測結(jié)果Tab.2 Nondestructive testing results of supporting-beam

從支撐梁構(gòu)件無損檢測結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，通過芯模膨脹壓力設計、不等厚型面壓力分配及固化工藝參數(shù)優(yōu)化等控制措施，復合材料構(gòu)件的缺陷比例控制在0.5%以內(nèi)，明顯低于2%的設計指標要求。驗證試驗結(jié)果表明：針對高黏度MT700/603B復合材料體系進行軟模成型工藝設計與缺陷控制，能夠顯著降低構(gòu)件缺陷比例，縮短固化周期。

3 結(jié)論

（1）針對603與603B兩種環(huán)氧樹脂的黏度差異，比較膨脹壓力設計及固化工藝優(yōu)化方法，高黏度603B環(huán)氧樹脂體系的軟模膨脹成型工藝適應性更好，固化周期縮短13.6%。

（2）根據(jù)支撐梁結(jié)構(gòu)特點與硅橡膠芯模性能參數(shù)，得到軟模成型膨脹壓力設計方法，優(yōu)化預制體各型面壓力分配，制定工藝間隙計算與修正方法。

（3）確定MT700/603B復合材料軟模成型兩階段固化工藝，凝膠壓力設計溫度（135±5）℃能夠保證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量，固化溫度（170±5）℃降低產(chǎn)品變形風險，支撐梁構(gòu)件缺陷比例＜0.5%。