大型复合材料构件变形控制技术*

吴 波，平丽浩，方 芳

(1. 中电科芜湖钻石飞机制造有限公司, 安徽 芜湖 241000; 2. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

引 言

与传统大型金属材料构件相比，大型复合材料构件能够显著减轻结构重量，提高结构利用率，减少零件数量，降低装配和使用成本，因而在航空航天领域得到广泛应用。但在原材料、工艺等多个因素的综合影响下，大型复合材料构件在固化成型过程中容易发生翘曲变形，影响产品的装配和使用，因此如何控制这种变形显得尤为重要[1-2]。

为了掌握大型复合材料构件精度控制技术，国内外学者已经建立了较为完善的理论基础，但在实际的工程实践应用中，还缺少系统、有效且稳定的控制大型复合材料构件变形的工艺方法。为掌握大型复合材料构件研制技术，本文在国内外理论研究基础上，从铺层设计、模具材料、固化过程热场、固化压力等方面，系统分析了变形的内在原因，并给出了控制大型复合材料构件变形的工艺方案。

1 大型复合材料构件变形的原因

1.1 铺层设计分析

各向异性是复合材料最大的特征，便于复合材料根据需要进行灵活设计。纤维材料在不同方向的线性膨胀系数不同，若铺层设计不合理，则复合材料构件在不同方向的尺寸变化也不同，宏观上表现为构件的翘曲变形。

1.2 模具材料分析

在复合材料构件成型过程中，模具起到承载、维形及约束构件的作用。一般来说，复合材料热膨胀系数小，其尺寸基本不随温度变化而改变。这就对模具提出了同样的热稳定要求。若模具工装热膨胀系数大，那么在加热、加压过程中，由于模具与复合材料构件尺寸变化不同步，特别是树脂基体到达凝胶点以后，构件贴模面随模具热膨胀尺寸变化大，产生较大剪切力，而远离模具的复合材料层尺寸变化小，剪切力也随之减小，因此在复合材料构件内部形成梯度剪切力，在构件固化脱模后，内应力导致复合材料构件发生明显变形，如图1所示[3-4]。

图1 模具线性膨胀系数对复合材料构件变形的影响示意图

1.3 固化过程热场分析

固化的过程是复合材料受热收缩硬化的过程。固化过程中构件的热场分为外热场和内热场。大型复合材料构件在热压罐或烘房中受热固化时，处于外部加热环境中。如果构件不同位置经受的温度不同，则不同位置的固化速率及固化度也不同，固化收缩的速度也随之不同，宏观表现为翘曲变形。而在构件内部存在内热场，复合材料构件多为夹层结构或层压板结构，由于复合材料导热性较差，难以保证复合材料构件内部不同深度的温度一致，从而在构件不同厚度位置形成明显的温度梯度，导致接近蒙皮的位置先固化，而芯层部分后固化。内外固化时间、温度及速度的不同，导致内外固化状态不同，造成构件变形。图2给出了2 cm厚复合材料构件固化过程中不同厚度处的温度曲线。与厂家所给的固化工艺(MRC)相比，不同厚度处温度有所不同，体现出复合材料构件厚度梯度温度场。

图2 2 cm厚复合材料构件固化过程中不同厚度处的温度曲线[5]

1.4 固化过程的压力分析[1]

压力大小可以直接影响复合材料构件的厚度。固化压力可以通过改变树脂含量以及树脂分布来影响复合材料构件的固化变形。

2 大型复合材料构件变形控制解决方案

2.1 铺层设计

在大型复合材料构件铺层过程中，需根据产品结构特点采用合适的角度顺序，以保证不同方向纤维布的性质相同，防止因复合材料各向异性，受热后不同方向的尺寸变化形成差异，从而造成固化后构件变形。同时，铺层过程还需注意以下方面：

1)纤维布可按铺层需要进行裁剪，但必须按要求搭接，以避免搭接缝重叠；

2)在模具拐角处不易铺层的位置，考虑进行加捻填料处理；

3)使用前对泡沫夹芯的4条边进行倒角处理，以避免纤维布和泡沫芯材间隙大导致的气泡等缺陷的产生。

2.2 模具材料优选

金属材料的热膨胀系数一般远大于复合材料。研究表明，复合材料层压板的热膨胀系数在合理铺层设计条件下可以接近零膨胀[6]。为解决加热固化过程中金属模具与复合材料构件因热膨胀系数差异大产生剪切力造成的构件变形问题，可以选用同质、高强度、耐温的复合材料制造模具，以保证模具和构件具有相同的热膨胀系数，即基本接近于零膨胀，从而消除固化过程中构件的内应力，避免脱模后变形。

2.3 固化过程热场控制

如何控制大型复合材料构件内外热场的均匀性是有效控制构件产生内应力造成构件变形的关键因素。要保证温度场的均匀性，首先应根据大型构件的结构特点选择合适的高精度、高质量热压罐或烘房，采用电加热的烘房的温度控制一般优于采用燃气加热的烘房。构件在烘房摆放时应注意烘房加热及热空气循环方式，避免热空气直接吹到构件上，防止因构件遮挡，迎风面与背风面温度不一致产生内应力，从而使构件变形。在构件固化过程中，可以将热电偶粘贴到构件的外表面和内表面进行实时监控。当温度差异较大时，停止加热或调整构件摆放位置，以缩小不同位置的温度差异。

对于内热场，由于碳纤维复合材料由单层纤维布通过树脂层压而成，树脂导热性差，因此复合材料构件在层间的导热性尤其差，热量由外热场传导到蒙皮再到芯部需要一定时间，可采取降低升温速率并增加保温时间的措施，给予热量传导足够的时间。

2.4 压力控制及维形工装使用

在铺层过程中要防止架桥、皱褶等情况的发生。铺层结束后，需对真空袋及其他辅料进行检查，避免漏气情况发生，从而保证构件各个位置均匀受力。

对于脱模后需要二次固化的大型复合材料构件，在二次固化过程中，构件已经脱离模具在外形上的约束。由于树脂材料在首次固化后未达到完全固化，在二次固化过程中材料会首先出现软化，受热不均或者在重力作用下，大型构件容易出现变形现象。对于此类构件，需设计必要的维形工装，约束大型构件在固化过程中可能产生的变形。

3 应用验证

为验证方案的可靠性，将变形控制方案应用到某大型全复合材料机身的研制过程中。机身为薄壳夹层结构，长度达8 m，剖面为渐变圆截面，成型难度大。在成型过程中，首先对铺层层数及角度进行合理设计，同时严格控制单层预浸料的胶含量，经随机检测，每平方米的胶含量均控制在(125 ± 2)g范围内。在曲率大的拐角处，使用混有长纤维丝的胶粘剂进行填充。模具材料选用与机身材料相同的碳纤维复合材料，为保证模具刚性，除控制模具铺层厚度和方向外，还在模具底部合理使用金属框架进行增强。

机身固化分2段进行，且后固化过程采用5段阶梯式升降温成型工艺，后固化温度曲线如图3所示。图3中的缓慢分阶段升温工艺可以有效保证机身内外温度场的温度均匀性。在后固化过程中，全程合理使用维形工装对机身进行维形。结果表明，研制的大尺寸机身厚度均匀，尺寸一致性好，脱模后与模具复模性好，目前已顺利完成后续总装装配并投入使用。图4为已完成喷漆的大尺寸全复合材料机身。

图3 全复合材料机身后固化温度曲线

图4 已完成喷漆的大尺寸全复合材料机身

4 结束语

对于大型复合材料结构件，必须从其结构入手，认真分析影响其尺寸稳定性的因素。尤其是要从铺层设计、模具材料优选、固化成型温度场控制及压力控制等方面入手，通过合理的铺层设计、同质模具工装研制、多阶段高精度升降温固化成型及精确的压力控制等手段，建立起通用性强、效果好的大型复合材料构件变形控制方法。

[1] 郑锡涛, 刘振东, 梁晶. 大型复合材料构件固化变形分析方法研究进展[J]. 航空制造技术, 2015(14): 32-35.

[2] 庞杰. 复合材料结构固化变形分析及其控制[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2010.

[3] 李盼. 纤维/树脂复合材料的模内热固化成型及脱模变形的研究[D]. 济南: 山东大学, 2014.

[4] FERNLUND G, RAHMAN N, COURDJI R. Experimental and numerical study of the effect of cure cycle, tool surface, geometry and lay-up on dimensional fidelity of autoclave-processed composite parts[J]. Composites: Part A, 2002(33): 341-351.

[5] 郭战胜, 杜善义, 张博明, 等. 厚截面树脂基复合材料的温度场研究Ⅰ: 模拟[J]. 复合材料学报, 2004, 21(5): 122-127.

[6] 石荣荣, 于佳, 佟丽莉. 复合材料热膨胀系数计算方法的研究[C]//第十五届全国复合材料学术会议论文集, 2008: 983-985.