肖光明 金子坤 房曉斌 田盛羽 周盼 何大亮

摘要：通過對比手工鋪貼與自動鋪絲2種方法在制造大厚度碳纖維復合材料C 型梁時不同的效果，研究不同工藝方法對產(chǎn)品質(zhì)量的影響和內(nèi)部質(zhì)量控制關(guān)鍵因素。大厚度C 型梁由于鋪貼工藝方法的改變，對產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量產(chǎn)生不同影響。為了獲得高質(zhì)量大厚度碳纖維航空復合材料制件，在飛機新材料應用和設(shè)計上有意義，收集了同一產(chǎn)品20次制造的產(chǎn)品存在的纖維皺褶/屈曲和無損質(zhì)量情況，對C 型梁產(chǎn)品產(chǎn)生的內(nèi)部質(zhì)量問題，針對單一變量進行對比試驗分析討論。結(jié)果表明：由于手工鋪貼與自動鋪絲對材料壓實方法和缺陷表現(xiàn)不同，應在采取不同工藝方法時，針對性地調(diào)整層間壓實、預壓實參數(shù)、壓力墊方案，解決大厚度C 型梁內(nèi)部質(zhì)量控制難的問題。

關(guān)鍵詞：C 型梁；碳纖維；復合材料手工鋪貼；自動鋪絲；工藝

中圖分類號：TQ327.6文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0052-05

Internalqualitycontrolmethodof hand-layingand wire-layingof largethicknesscompositeC-beam

XIAO Guangming，JIN Zikun，F(xiàn)ANG Xiaobin，TIAN Shengyu，ZHOU Pan，HE Daliang

（Avic Xi'an Aircraft Industry Group Co.，Ltd.，Xi'an 710089，China）

Abstract：This article compares the different effects of manual and automatic wire laying methods in manufactur? ing thick carbon fiber composite C-shaped beams，and studies the impact of different process methods on product quality and key internal quality control factors. Due to changes in the laying process of thick C-shaped composite beams，the internal quality of the product is affected differently. In order to obtain high-quality and thick carbon fi? ber aviation composite components，it is of great significance in the application and design of new aircraft materials. This article collects the fiber wrinkling/buckling and non-destructive quality of products manufactured 20 times for the same product，analyzes the internal quality issues generated by C-shaped composite beams products，and de? signs experiments to compare and discuss the analysis of a single variable. The experimental results indicate that due to the differences in material compaction methods and defects between manual and automatic wire laying，tar? geted adjustments should be made to interlayer compaction，pre compaction parameters，and pressure pad schemes when adopting different process methods to solve the problem of difficult internal quality control of thick C-shaped composite beams.

Keywords：C-beam；carbon fiber；manual paving；automatic wire paving

碳纖維增強樹脂基復合材料質(zhì)輕、比強度高、耐腐蝕、抗疲勞、可設(shè)計性強等優(yōu)勢，使其在航空設(shè)計制造領(lǐng)域，從非承力件到次承力再到主承力件快速發(fā)展[1-3]。雖然與傳統(tǒng)鋁合金材料相比，價格更高、裝配制造工藝更復雜，但在新一代飛機各項性能提升及帶來的經(jīng)濟效益遠超出其負面影響[4]。預浸料熱壓罐工藝成型的復合材料性能最好、質(zhì)量穩(wěn)定，且其適合大型復雜外形復合材料構(gòu)件的成型，是先進復合材料制造廣泛采用的工藝方法[5]。與傳統(tǒng)飛機復合材料在非承力構(gòu)件或次承力構(gòu)件上的應用不同，主承力結(jié)構(gòu)具有大尺寸、大厚度的特點。隨著產(chǎn)品尺寸增大，結(jié)構(gòu)復雜，傳統(tǒng)的手工鋪貼已不能滿足新的制造要求，因此自動鋪放技術(shù)在近幾年的研究中逐漸成為復材自動化制造改革的主要方向[6-7]。但由于目前自動鋪方設(shè)備產(chǎn)能不足，應用范圍受限，傳統(tǒng)手工鋪貼制造方法仍然占據(jù)重要地位，手工鋪貼和自動化工藝的復合材料等同性也成為了設(shè)計師們關(guān)注的焦點[8]。針對大厚度C 型梁，同時開展手工制造與自動鋪放制造技術(shù)研究是保證我國航空產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定、持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的必要手段。

1 自動鋪絲技術(shù)在飛機上的應用

自動鋪放技術(shù)按照鋪放材料和設(shè)備不同，主要分為自動鋪帶和自動鋪絲。國內(nèi)飛機制造中自動鋪絲所采用的預浸絲束寬度尺寸有3.18、6.35和12.7 mm 之3種規(guī)格，而鋪帶的材料一般在304.8 mm。在自動鋪放工程應用初期，自動鋪帶技術(shù)主要在平板、曲率較小、結(jié)構(gòu)較簡單的壁板蒙皮上進行了的應用驗證；但自動鋪絲設(shè)備由于單絲更窄，能夠根據(jù)模具表面的形狀，實現(xiàn)預浸料連續(xù)可變角度的放置。此外，還能對絲束進行切割，以適應制造邊界的變化，能夠保證復雜結(jié)構(gòu)的加工要求。因此，C 型梁由于其R 角的存在，更適合采用自動鋪絲技術(shù)替代手工制造[9-11]。

2 大厚度復合材料C型梁制造現(xiàn)狀

2.1 研究現(xiàn)狀

復合材料制造過程中可能存在的典型缺陷有夾雜、褶皺、孔隙、分層、變形等，C 型梁由于其R 角的存在，在R 角區(qū)域發(fā)生缺陷的可能更大，這些微觀缺陷對復材制件的性能有極大影響[12]。有研究表明，厚截面復合材料制件與薄件相比，在熱壓罐工藝制造過程中，厚度方向除了層疊周期長以外，更容易出現(xiàn)固化不均勻、溫度過熱等問題[13]。由于溫度梯度的形成導致固化在厚度方向不同步，施加的壓力不足或傳遞不均勻會導致內(nèi)部孔隙或分層。厚截面C 型梁不僅在R 角處存在應力，由于厚度大造成的殘余應力機制較復雜，殘余應力可能接近橫向鋪層的抗拉伸強度，從而產(chǎn)生基體裂紋或分層[14]。還有研究了厚截面樹脂基復合材料制造過程中的內(nèi)部溫度場發(fā)展變化，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的一般厚度復合材料的固化歷程不適合固化厚截面復合材料[15]。因此在C 型梁制造工藝策劃中，考慮厚度因素及自動鋪放技術(shù)在R 角的控制技術(shù)是主要的難點。復合材料C 型梁制造過程中，厚度超差主要存在于R 區(qū)，因此進行R 角壓力傳導的控制是保證制造質(zhì)量的重要措施[16]。

2.2 工程應用實例分析

目前研究發(fā)現(xiàn)，纖維屈曲與孔隙和分層的出現(xiàn)相關(guān)聯(lián)，纖維屈曲嚴重時孔隙和分層出現(xiàn)的可能較小，纖維屈曲不明顯時孔隙和分層出現(xiàn)的幾率較大；波紋/皺褶類缺陷的存在從微觀上會改變纖維材料的幾何形狀，即發(fā)生纖維的錯位，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，導致材料的剛度和壓縮強度顯著減低，影響產(chǎn)品質(zhì)量[17]。因此，我們認為內(nèi)部質(zhì)量控制難點主要包含2方面：

（1）纖維屈曲，指的是在C 型梁R 角處觀察切割斷面的纖維屈曲情況，按照正弦曲線的波峰波谷值 max{t1，t2}判斷，具體如圖1所示。有學者曾在1966年提出波紋狀的褶皺簡化為正弦曲線的方法[18]，我們參考這一做法，在工程上，可以簡單地認為曲線波峰波谷的最大值越大，說明纖維屈曲越嚴重。

（2）無損質(zhì)量，通過超聲波檢測產(chǎn)品內(nèi)部是否有分層或孔隙?？紫都胺謱邮褂贸暡z測方法判斷，借助光學顯微鏡觀察到分層及孔隙缺陷的微觀現(xiàn)象，具體如圖2、圖3所示。

表1為同一產(chǎn)品多次制造的試件中纖維屈曲和孔隙或分層出現(xiàn)的情況。0為無缺陷；1為有缺陷。其中孔隙、分層均按照范圍大小進行嚴重程度的判斷；纖維屈曲按照max{ t1 ， t2}=0.5 mm 為界限區(qū)別纖維屈曲的嚴重程度。

鋪絲與手鋪產(chǎn)品各20件，除了3類是對產(chǎn)品質(zhì)量無較大影響的，其余的存在孔隙分層或纖維屈曲較嚴重的情況均是嚴重不合格產(chǎn)品。

通過觀察同一產(chǎn)品多次制造的結(jié)果數(shù)據(jù)，不難看出手工鋪貼的冷抽壓實效果對零件厚度的減小效果不大，因此采用手工鋪貼的產(chǎn)品在固化時厚度急劇減小，會導致纖維在擠壓過程中產(chǎn)生滑移或屈曲。其產(chǎn)生的復雜內(nèi)應力會造成R 區(qū)內(nèi)部存的分層或孔隙。當自動鋪絲時，壓輥在加熱預浸帶表面樹脂的同時施加壓力，這一差異帶來的問題。

除了自動化替代手工壓實以外，預壓實作為控制復合材料厚度的重要方法，在減小預制體與固化后理論厚度之間的差異上有顯著效果。

通過以上數(shù)據(jù)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)：（1）手工鋪貼及自動鋪絲兩種制造方法中，孔隙或分層和纖維屈曲兩種缺陷同時嚴重的狀態(tài)均只有1件；但當纖維屈曲問題減弱時，發(fā)生無損質(zhì)量問題的比例明顯較大。（2）相對手鋪產(chǎn)品來說，鋪絲件的無損質(zhì)量更好。

3 試驗材料與方法

3.1試驗對象

本文研究的大厚度C型梁如圖4所示。

其是一個變厚度C 型梁，厚度區(qū)域分為3部分，內(nèi)外表面均有一層玻璃布、一層碳布，中間均為碳纖維單向帶材料組成。碳纖維單向帶單層材料厚度約0.14 mm，兩側(cè)110層，中間部分84層。腹板面與緣條面寬度方向材料連續(xù)，腹板面與緣條面夾角為90° ， 內(nèi)R 角半徑約為4.5～7.5 mm，屬于典型的R 角小厚度大的C型復合材料制件。由于表面的碳布及玻璃布材料主要考慮后續(xù)裝配及使用中對鉆孔、防電位腐蝕等表面要求設(shè)計，對產(chǎn)品成型的內(nèi)部質(zhì)量影響不大，因此本次試驗不考慮這2層材料的作用[19-20]。

3.2試驗材料及設(shè)備

試驗主材料包括手工鋪貼材料及自動鋪絲材料2種，單向帶部分主要采用國產(chǎn)T800碳纖維增強的復合材料預浸單向帶：（1）幅寬1000 mm 的預浸單向帶下料用于手工鋪貼；（2）單絲6.35 mm/根的預浸單向帶用于自動鋪絲。

手工鋪貼采用自動下料機與Virtek Laser Projec? tor 激光投影定位系統(tǒng)結(jié)合輔助料片定位；自動鋪絲采用Torres 龍門鋪絲機進行鋪放。為滿足鋪絲頭有足夠的空間進行90°旋轉(zhuǎn)以及工裝無法干涉鋪絲頭這2個必要條件，成型模為“n”字型陽?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)，材料為殷鋼，手工鋪貼和自動鋪絲使用的成型模相同。主要輔助材料及工具：真空嘴、真空管路、聚乙烯壓板、真空袋、隔離膜、透氣織物、密封膠帶、復材壓力墊、丙酮、脫模劑等。其中復材壓力墊采用碳布加AIRPAD 的形式制造，在放置隔離膜后先放置壓力墊，然后再放置透氣織物等輔助材料進行制袋。

3.3試驗方法

為了研究手工鋪貼與自動鋪放技術(shù)在過程控制中的關(guān)鍵點，通過調(diào)整過程中的關(guān)鍵操作，形成試驗對照組，按照各組的對照結(jié)果判斷各因素的影響情況。根據(jù)2種不同工藝流程設(shè)置單一變量的試驗組，將同一影響因素分別在手工鋪貼和自動鋪絲上應用，對比以下3方面因素：層間壓實方法、預壓實次數(shù)、預壓實壓力墊設(shè)置。

3.3.1設(shè)計試驗

按照影響因素及試驗方法的不同，將試驗件編號為：試驗組（A/B/C）+鋪貼方法（S 手工/Z 自動鋪絲）+對比組號（1/2/3），例如AS1是試驗組A手工鋪貼的對比組1，對應的對比組為AZ1時，這是不同鋪貼方法對同等影響因素的橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果；AS1和AS2是同一個鋪貼方法時，單一變量設(shè)置的縱向?qū)Ρ冉Y(jié)果。試驗件清單及對應變量如表2所示。

為了促進R 角處纖維的平整延展，所有試件在制袋時，將真空袋在緣條R 角下方“打褶”，使真空袋在R 處盡量繃緊，防止由于纖維延展受限，影響R 區(qū)內(nèi)部質(zhì)量。

3.3.2 手工鋪貼方法

將解凍好的預浸料卷放在自動下料機上，按照產(chǎn)品鋪層設(shè)計要求啟動自動下料程序進行裁切并標記料片號、鋪貼方向、材料L 向等。同時準備模具，將模具表面用丙酮擦拭干凈后，按照交叉涂覆的方法使用不掉毛的抹布涂覆脫模劑1～3遍，每層脫模劑涂覆間隔至少15 min，最后一次涂覆脫模劑完成后至少晾置30 min后方可進行預浸料的鋪貼。

啟動自動鋪層定位投影設(shè)備，調(diào)用C 型梁投影程序，在模具上投影出每一層材料的鋪貼輪廓，將對應裁切好的預浸料按照每一層的輪廓、方向進行鋪貼。鋪貼前去除紙背襯材料，將預浸料鋪貼在對應位置，趕出氣泡，使其與模具形狀及投影線吻合后去除材料另一側(cè)表面聚乙烯薄膜背襯材料。按此方法逐層鋪貼，鋪貼時只能在材料L 向的垂直方向上對接，不得搭接。

3.3.3自動鋪絲方法

將解凍好的預浸纖維帶裝到設(shè)備料頭上，模具準備與手工鋪貼相同，不再贅述。調(diào)用自動鋪放程序進行鋪放。

以上2種方法制造過程中的預壓實及鋪貼完成后的固化操作相同，固化溫度按照T800預浸料的固化參數(shù)進行。制袋均使用隔離膜、透氣織物、真空袋、密封膠帶等輔助材料進行，根據(jù)需要放置已固化的復材壓力墊。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 A 組分析

A 組手工鋪貼的2件AS1、AS2采用不同冷抽壓實次數(shù)，AS2增加壓實次數(shù)能夠減輕內(nèi)部孔隙、分層、纖維屈曲程度；但該方法由于增加了鋪貼時長，制造效率低，對內(nèi)部質(zhì)量提升的程度不大，該方法的“性價比”不高。

A 組自動鋪絲的2件AZ1、AZ2，針對自動鋪絲過程層間的壓實方法探究，AZ1不增加額外壓實內(nèi)容，在鋪絲時鋪絲頭已對材料進行了加熱壓實，且壓力較大。為了防止鋪絲過程中，部分絲翹起、彎曲等情況造成的內(nèi)部質(zhì)量缺陷，每鋪絲3層增加壓輥壓實1次，在預制體上從腹板面中軸線處開始，沿著90°絲束方向向兩側(cè)緣條分別搟實1次。結(jié)果表明，壓輥3層1次的搟實能夠提升內(nèi)部質(zhì)量，由于鋪貼壓力本身較大，因此對無損質(zhì)量改善效果不明顯；但能夠避免表面絲束翹起翻折等問題，減少纖維屈曲。

A 組結(jié)果表明：手工鋪貼或自動鋪絲對于層間壓實的次數(shù)增減對產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量有所提升，但效果不顯著，橫向?qū)Ρ仁止や佡N和自動鋪絲的層間壓實，自動鋪絲比手工鋪貼的層間壓實效果好，手工鋪絲能夠大大減小C型梁R角內(nèi)部無損缺陷。

4.2 B 組分析

B 組手工鋪貼及自動鋪絲方法各自對增加預壓實次數(shù)的敏感程度不同。手工鋪貼預壓實次數(shù)增多至鋪放約5 mm 厚預壓實1次，能夠顯著減小內(nèi)部纖維屈曲，提高了分層或孔隙的發(fā)生概率，且多數(shù)分層、孔隙通過分析發(fā)現(xiàn)在預壓實界面處。當減少預壓實次數(shù)，R 區(qū)纖維屈曲顯著，但無損檢測發(fā)生分層和孔隙的概率有所降低。

自動鋪絲預壓實次數(shù)的增多對纖維屈曲和無損質(zhì)量的提升幾乎沒有影響，有時增加預壓實還會增加預壓實截面發(fā)生分層或孔隙的風險。我們認為，自動鋪絲的層間壓實效果已經(jīng)較好，采用一次預壓實能夠保證內(nèi)部無損質(zhì)量。

4.3C 組分析

C 組是在B 組的預壓實次數(shù)確定后的基礎(chǔ)上進行的研究。由于預壓實對手工鋪貼的影響效果大，選取3次預壓實的方案進行，3次預壓實帶壓力墊或不帶壓力墊的結(jié)果有顯著差別。尤其在R 角及厚度過渡區(qū)，當壓力墊與預制體貼合較好，壓力傳遞到預制體上時，預制體表面纖維顏色較深；反之，則與壓實部分顏色相比發(fā)白，由此可以判斷預壓實效果。當不帶壓力墊時，雖然預壓實后R 區(qū)纖維屈曲造成的褶皺較有壓力墊時顯著，但能夠保證壓力傳遞到每一處；當預壓實有壓力墊時，傳壓不到位處存在無損分層或孔隙的風險較大。

由于自動鋪絲對預壓實的敏感度不高，因此僅預壓實1次。自動鋪絲每次鋪放的絲束之間可能存在細小的間隙，需要通過預壓實消除，暴露出局部缺絲或者絲束滑移后的實際情況。因此預壓實對自動鋪絲的方法最大的作用是暴露預制體內(nèi)的絲束缺陷，便于鋪帖碳布層前在單向帶層缺絲處進行補絲。當放置壓力墊進行預壓實時，壓力墊會阻礙內(nèi)部細小的絲束缺陷顯現(xiàn)。

5 結(jié)語

綜上所述，從纖維屈曲上看，自動鋪絲較手工鋪貼的效果好；從無損質(zhì)量上看，無論是自動鋪絲還是手工鋪貼，不帶壓力墊預壓實的效果更好。因此，對于大厚度C型梁采用手工鋪貼時，最優(yōu)解為：每鋪貼1層冷抽壓實1次，每鋪放5 mm 鋪層預壓實1次，預壓實時不放壓力墊；采用自動鋪絲時，最優(yōu)解為：每鋪放3層增加1次壓輥壓實，全部完成鋪放后預壓實1次，預壓實時不采用壓力墊。

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