复合材料泡沫夹芯结构表面疏松缺陷研究

刘东辉 李仁鹏

（中航工业通飞研究院有限公司，珠海 519040）

复合材料泡沫夹芯结构表面疏松缺陷研究

刘东辉 李仁鹏

（中航工业通飞研究院有限公司，珠海 519040）

近年来，民用航空器上的复合材料应用比例越来越高，而夹芯结构的应用可以大幅提高结构性能，实现复合材料结构性能的优化。夹芯结构由于需混合使用多种性能的材料，因而对结构设计和成型工艺提出了更高的要求。从实际应用中遇到的零件表面疏松缺陷问题入手，对泡沫夹芯结构中用到的不同的性能材料进行了研究，提出了优化复合材料泡沫夹芯结构设计和生产的方法。

复合材料，疏松

近年来，复合材料在飞机等民用航空器上的应用受到了广泛重视，逐步从主要应用于非承力部件发展到全机应用的水平。例如，意大利马基M346教练机中复合材料的用量达到了机体结构重量的20%；空客A380飞机中的复合材料用量占到了机体结构重量的25%；波音787中复合材料的用量占比达到50%，远超过铝所占的20%；空客A350XWB宽体客机中复合材料的用量占比也达到了50%以上；而美国X-45C无人战斗机中复合材料的用量占比超过了90%。

复合材料夹芯板由复合材料面板和芯材组成，是一种典型的复合材料结构。复合材料夹芯结构具有密度小、刚性大、结构稳定、减震性能好等特点。复合材料夹芯结构形式在现代飞机复合材料构件中的应用越来越受到重视。夹芯结构可实现多种不同性能特点的材料的复合，对结构设计和生产工艺提出了更高的要求。

1 复合材料疏松产生的原因

疏松是复合材料缺陷的一种主要形式，是由大量的气孔和孔隙导致的。其中，气孔即复合材料中存在少量空气或微小的气泡，这些空气和气泡有在层间聚集的趋势。气孔通常由以下两个因素造成：一是固化过程中的模具不匹配，导致沿构件表面的压力分布不均，在树脂无法充填的区域形成缺陷；二是高挥发性树脂和短固化周期的联合作用，如果挥发物不能在树脂固化前释放，就会形成气孔，而有时孔隙也可以由树脂吸湿形成。孔隙是固体材料给定区域内空气或气体微泡的状态，通常由于树脂流动不完全和局部过热或树脂污染引起。复合材料的材料力学特性随孔隙含量的增大而降低。

2 产生疏松的复合材料结构

本文以碳纤维预浸料PVC（聚氯乙烯）泡沫夹芯结构为例，研究产生的复合材料疏松缺陷情况。研究表明，碳纤维预浸料PVC泡沫夹芯结构中的疏松缺陷产生在靠近模具一侧的零件表面。

3 疏松产生的原因分析

按照以下步骤分析疏松缺陷产生的原因：

（1）对模具进行检查、对材料的存放管理进行检查，排除模具和材料存放管理的问题。

（2）针对零件内外表面质量的差异，考察固化过程中是否存在局部过热问题。以1.2℉/min～1.4℉/min的速率进行加热，结果表明，零件上、下表面仅在冷却时出现最大8℉～10℉的温度差，如图1所示，不会造成零件质量差异。

图1 零件上、下表面温度曲线

（3）对固化过程中气体产生的原因进行考察。由于该碳纤维预浸料PVC泡沫夹芯结构由预浸料和泡沫组成，因此，预浸料中的树脂可能会产生挥发物，泡沫也可能会产生挥发物，此外，表面缺胶可能会造成针孔。针对以上可能的原因，设计了一套试验进行排除、筛选，以达到有针对性地对产生气体的原因进行分析的目的。

4 试验分析

4.1 试验设计

设计如图2所示的试验件：

（1）在泡沫与靠近模具面的层压板之间增加一层胶膜，以提高结构的树脂含量。

（2）在零件与模具面之间增加一层脱模布，以促进模具面的树脂排气。

图2 零件表面疏松气源测试试验件

（3）在泡沫与靠近模具面的层压板之间增加一层快干胶，减少泡沫与预浸料的挥发物间的干扰。

（4）在泡沫与靠近模具面的层压板之间增加隔离膜，将泡沫与预浸料隔离，避免泡沫与预浸料的挥发物间的干扰。

4.2 试验结果

按规划生产试验件，结果如图3和图4所示。试验结果表明，原零件铺层形式表面质量很差；胶膜区域略有改善；脱模布区域基本没有变化；快干胶区域略有改善；隔离膜区域表面质量改善显著。

4.3 试验结果分析

由试验结果可以看出，增加零件表面的树脂含量，零件表面质量仅略有改善，这说明造成表面疏松缺陷的原因并不是缺胶。在靠模面增加脱模布改善零件表面排气能力，并不能改善零件表面质量。而在泡沫与层压板之间增加隔离膜，将泡沫与层压板的环境隔离后，零件表面质量显著改善。这说明，层压板在成型过程中的排气是没有问题的，而多余的气体是泡沫排放的，而且不能够完全排出。同时，快干胶区域也对零件表面质量具有一定的改善作用，这是因为快干胶在固化初期固化，对泡沫与层压板具有一定的隔绝效果。

综上所述，泡沫在零件成型过程中会排出气体，泡沫排出的气体不能通过表面层压板排出。同时，零件采用的固化曲线为二级固化曲线（零件升温到第一个平台后保温，使树脂充分流动浸润排出树脂中的气体，然后升温到第二平台保温固化），说明泡沫排气的时间要长于第一平台保温的时间，使得泡沫中的气体没有充分排出，或泡沫排气的温度高于第一平台保温的温度，使气体没有及时排出，树脂流动性已经降低，最终形成了气泡。

图3 试验结果

图4 试验结果

图5 改变固化曲线后的零件表面

5 泡沫夹芯结构零件表面疏松的解决

通过以上的分析发现，要想解决缺陷问题，需要对零件的固化曲线进行优化。对以下两种改善固化曲线的方式进行试验，试验结果如下：

第一种方式：将固化曲线中的第一平台的保温时间延长，保证泡沫排出的气体可以排出零件外。试验结果表明，没有明显的改善。

第二种方式：在固化曲线中第一平台保温温度与第二平台固化温度之间增加一个中间温度进行保温，试验结果如图5所示。试验结果表明，同样的试验件，所有区域的表面质量均显著改善。

6 结束语

复合材料是由多种材料复合而成的新型材料。复合材料结构设计也是新材料的设计过程，要充分考虑不同材料组合后带来的强度和工艺问题，不能单纯地用组成复合材料中某一种材料的特性来定义复合材料结构的特性，应充分考虑每种材料的特性和组合后带来的问题。表面疏松是影响复合材料夹芯结构性能的一种常见缺陷，碳纤维预浸料PVC泡沫夹芯结构中的疏松缺陷主要是由于泡沫的排气导致的。分析和试验表明，在固化曲线中第一平台保温温度与第二平台固化温度之间增加一个中间温度进行保温，可显著改善零件表面的质量，提高复合材料结构的性能。

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