高温双马来酰亚胺树脂基复合材料发动机舱口盖制造技术研究

Research on Manufacturing Technology of High Temperature Bismaleimide Resin Matrix Composites for Engine Hood Cover

摘要

发动机舱口盖既要考虑结构强度、刚度和稳定性，又要满足服役温度及减重需求，因此选用高温双马来酰亚胺树脂基复合材料制造发动机舱口盖。使用高温固化双马来酰亚胺高强碳纤维预浸料CCF800H/QY260E，采用共固化及二次胶接工艺制备大曲率复杂加筋结构口盖制件，可于230 ℃高温环境下长期服役。研究了高温树脂基复合材料制件成型工艺方法、闭合环形加强边铺叠方法及高效快捷低成本的长桁、加强边定位方式。完成了高温树脂基复合材料制件工艺辅助材料、工装结构及材质、热压罐设备及配件的优化选择，成功制备出耐高温的大曲率加筋复杂结构口盖制件。

关键词

高温固化 / 双马来酰亚胺 / 复合材料 / 发动机舱口盖

Key words

High temperature curing / Bismaleimide / Composites / Engine hood cover

针对现代飞机结构，如何通过合理设计，使其满足结构强度、刚度和稳定性的要求，又达到减重设计目标，是飞机设计人员关注的重点问题^[1-2]。复合材料具有比强度高、比刚度高、可设计性强、易于整体化成型等优点，对于飞机结构减重具有重要意义，在航空航天领域得到广泛应用。近年来，为满足飞机减重和结构功能一体化等性能需求，飞机上复合材料零件比例不断增加，一些高温环境下工作的金属零件逐渐由复合材料零件替代。新型飞机性能参数不断提升，对原有复材零件的工作温度要求也越来越高。

碳纤维树脂基复合材料在航空航天领域应用范围越来越广泛^[3-5]。目前，航空领域大规模应用的环氧树脂基复合材料可满足130 ℃下长期使用要求，常用的双马来酰亚胺树脂基复合材料使用温度一般不高于180 ℃^[6]，多用于对温度要求不高的平垂尾壁板、方向舵、翼面等部位。杨博等^[7]使用高温固化环氧碳纤维预浸料CCF300/BA9916-Ⅱ，采用共固化的成型方案，研制了大尺寸复合材料工形加筋壁板。梁宪珠等^[8]采用HT7/QY9511预浸料，热压罐成型工艺制备了双曲型面、纵横加筋壁板。王永贵等^[9]使用QY8911树脂体系和不同材料增强纤维，采用热压罐/真空罐成型方法研制了复合材料波纹梁，其性能满足技术要求。环氧树脂体系预浸料和180 ℃以下的双马来酰亚胺树脂体系预浸料在热压罐成型时，常用的辅助材料、热压罐及配套设备、工装设计等较为成熟，制得产品质量也可满足设计要求。但对于某些服役温度要求更高，尤其是耐高温的大曲率复杂结构制件的成型工艺还需进一步研究。

近年来，耐高温聚合物基复合材料在航空航天领域应用受到越来越广泛的关注^[10-12]。自20世纪70年代以来，众多耐高温聚合物基体树脂，包括聚酰亚胺(PI)、双马来酰亚胺(BMI)、聚芳基乙炔(PAA)、碳硼烷-炔基树脂、氰酸酯(CE)、酚醛、聚苯并嗯嗪以及氰基树脂(PN)等得到广泛的研究^[13-15]。热固性聚酰亚胺树脂基复合材料是目前耐温最高、使用较为广泛的结构用树脂基复合材料之一。双马来酰亚胺是聚酰亚胺中的一种，是热固性聚酰亚胺的重要分支，具有良好的力学性能、热稳定性和化学稳定性。它克服了聚酰亚胺树脂成型温度高、成型压力大、加工工艺性差的缺点，可用于成型结构复杂零件，国外已大量应用于发动机、飞机、导弹、火箭等航空航天飞行器的耐高温结构部件，可在200~260 ℃环境中长期使用^[16-18]。

本实验以典型结构制件-大曲率复杂加筋发动机舱口盖作为目标对象，研究CCF800H/QY260E高温固化双马来酰亚胺树脂体系高强碳纤维复合材料构件的制造工艺、辅助材料选择、工装结构及材质选择、设备参数需求等，对双马来酰亚胺高温树脂基复合材料成型工艺进行系统研究，重点关注闭合环形加强边的铺叠成型，长桁和加强边的定位组合，制件固化后的变形原因。

1 实验部分

1.1 大曲率复杂加筋结构发动机舱口盖介绍

大曲率复杂加筋结构发动机舱口盖由于服役温度较高，可选用高温固化双马来酰亚胺高强碳纤维预浸料，材料经高温后处理可长期服役于230 ℃工作环境。图1为发动机舱口盖结构。从图1可以看出，该制件弦长近1 000 mm，宽近500 mm，由大曲率蒙皮、9根T形长桁、闭合环形加强边组成，其中环形加强边横截面为“J”字形。蒙皮与环形加强边共固化，T形长桁固化后与蒙皮使用二次胶接。

1.2 主要原料

预浸料，CCF800H/QY260E，中航复合材料有限责任公司生产；胶黏剂，J-270B高温结构胶黏剂，黑龙江石油化工研究院生产。真空袋，常用牌号DPT1000（最高使用温度246 ℃）、新型牌号WN1500（最高使用温度246 ℃）；密封胶条，常用牌号SM5126（最高使用温度232 ℃）、新型牌号AA-15（最高使用温度232 ℃）、新型牌号MT240G（最高使用温度240 ℃）；透气毡，新型牌号ULTRAWEAVE（最高使用温度232 ℃）、新型牌号MAF350（最高使用温度240 ℃）。

1.3 设备参数及配件需求

热压罐是复合材料制件成型的必需设备，最高工作温度和最大工作压力是满足使用的必要条件，同时高温条件下空气气氛中辅助材料易氧化降解，用于高温固化成型的热压罐还应提供N₂保护。配套使用的真空管路、真空嘴、快速接头也应满足高温条件使用需求，才能保证管路的密封性，最终使真空度满足需求。表1为现有热压罐及配件具体参数指标，均可满足后续制备QY260树脂体系制件的制造需求。

1.4 主要技术指标

厚度公差为±5%t。筋条轴线位置度公差为±1.0 mm。气动外形最大贴模间隙不大于1 mm/m。空隙率控制在1.0%以内。随炉件力学性能满足材料技术规范。

1.5 制造工艺流程

图2为该结构制件整体制造工艺流程。从图2可以看出，T形长桁制造：在金属芯模上铺叠L形部分，将两个L形部分背靠背组合后在R角处填充0°纤维，然后铺叠卧边，整体铺叠完成后，将9根长桁整体卧边朝上放置在平板上，进行封装固化，脱模后按结构制件边缘线切割外形。蒙皮制造：首先，利用激光投影仪进行裁片定位，铺叠蒙皮，蒙皮铺叠后封装进热压罐在100 ℃、0.2 MPa、全程真空条件下预压实，以达到蒙皮维形的目的。

图3为加强边横截面。从图3可以看出，加强边横截面为“J”形，由四部分组合成闭环形。每一部分铺叠时由C形、Z形、0°纤维及缘条分别铺叠后常温下压实后组合在一起。

复合材料工装因质轻、强度高、热膨胀系数低，在复合材料制造中得到广泛应用^[19-20]。该制件的环形加强边分段组合后与蒙皮组合，制造过程中段与段之间的配合以及整体与蒙皮之间的配合严重影响整体制件的内部质量与外形质量。因此，选用Z形复合材料盖板作为Z形部分的铺叠模和加强边的组合模，用于Z形部分铺叠、加强边组合及转移，可将整个环形组合定位后一起转移至蒙皮成型模表面，一方面重量轻方便操作，另一方面有利于提高四段单独的加强边组合后的整体性及与蒙皮之间的配合精度。

在复合材料盖板上铺叠Z形部分预浸料后，将C形部分连同芯模和连接块一同转移至复材盖板中，在R角填充0°纤维。在该组合体上铺叠卧边缘条后封装抽真空进热压罐预压实，为防止压实温度过高，树脂流失，R角处偏薄，该工序压实温度选择60 ℃。

将预压实后的加强边C形芯模连接块拆除，将芯模、坯料和复材盖板用工形卡子夹紧固定，整体转移至蒙皮表面。为节约制造成本，选择激光投影仪进行加强边定位，理论定位精度垂直距离为4 m，投影角度在60°以内，投影精度小于±0.4 mm。位置确定后，取下Z形复材盖板和芯模连接块，常温下抽真空压实；预压实后，在加强边外侧使用自制Z形硫化橡胶作为匀压板保证其外形质量及厚度^[21-22]，封装后进行热压罐固化。

以不大于2 ℃/min的升温速率升至125 ℃，在(125±5) ℃保温60 min；再以不大于2 ℃/min的升温速率分别升温至(190±5) ℃保温240 min，(230±5) ℃保温240 min，全程抽真空，真空度不低于-0.92 MPa，固化压力0.65 MPa；固化完成后，以不大于1.5 ℃/min的降温速率降温至60 ℃以下，零件出罐。制件出罐后进行表面清理，并将胶接面处打磨，利用激光投影确定T形长桁黏接位置，使用胶膜将T形长桁与蒙皮进行黏接，进罐固化后，钻K孔，清理脱模，得到最终制件。

2 结果及讨论

2.1 厚度分析

使用Dakota超声测厚仪和千分尺分对制件蒙皮和环形加强边进行厚度测量，每个厚度区域至少选择5个测厚点，图4为制件厚度测量。由于有子铺层的存在，蒙皮不等厚，四周理论厚度为4 mm，中间区域理论厚度为2.5 mm，环形加强变理论厚度为1.5 mm，T形加强筋理论厚度1.5 mm。

表2为蒙皮厚度测试结果。该材料体系在制件制造过程中无须吸胶工艺，固化封装时无须使用特殊吸胶材料，表面铺叠四氟布即可，固化时压力6.5 MPa对于蒙皮厚度和T形长桁厚度（未详细列出）控制可满足要求，从表2可以看出，所有区域厚度均合格。

表3为环形加强边厚度测试结果。其中1#和2#分别表示相同位置上翻边和立边测量点，从表3可以看出，在环形拐角处制件厚度超差(16-1#、19-2#、20-2#、23-2#)，其他区域厚度合格。由实际测量数据和测量点位置分析，拐角处单向带预浸料铺叠时操作难度大，需适当剪裁、拼接，拼接时可能会出现拼接间隙，或者纤维褶皱，树脂堆积情况，导致其厚度出现超差^[22-23]。

2.2 长桁与加强边位置度

T形长桁轴线利用传统打渔线检查方式均满足轴线位置度公差±1 mm；加强边利用激光跟踪仪进行检测，其位置度公差为±1 mm。图5为加强边轴线位置度超差。从图5可以看出，利用激光投影仪进行T形长桁定位时可投影出长桁卧边轮廓，长桁已固化，按卧边轮廓定位简单易行，且与蒙皮黏接时在真空袋作用下使其未产生滑移，轴线位置满足公差要求。而加强边芯模为分段结构，高温条件下，闭合环形金属芯模受热膨胀，而且加强边在固化过程中经历复杂的温度、压力过程，材料发生一系列复杂的化学反应和物理变化，固化后残余应力释放及工装的热胀冷缩将导致加强边的外形与理论有所偏差，使得两端头轴线向外侧偏移，而中间位置向环形内侧偏移，导致加强边位置度超差^[24-25]。

2.3 制件变形情况

用塞尺检查制件气动外形与成型模的贴模间隙，制件两端向外侧张口，中间位置贴膜间隙大于1 mm/m，在贴膜间隙大于1 mm/m位置处施加45 N的力后，贴膜间隙不大于0.5 mm，满足验收技术条件。利用激光跟踪仪检测制件气动外形形面与回胎检测结果一致。图6为制件气动外形形面检测结果。

复合材料构件在经历高温固化成形及冷却过程后，由于材料的热胀冷缩效应，基体树脂的化学反应收缩效应，以及复合材料与成形所用模具材料在热膨胀系数上的显著差异，使复材制件产生固化变形。固化变形原因可分为3类^[26]：化学收缩变形、热变形、由模具导致的变形。化学收缩变形与树脂体系有关，随着交联反应的进行，树脂发生一定的固化收缩，是固化过程中不可控制的变形^[27]。热变形是材料本身热膨胀效应导致的一种构件变形现象，复合材料铺层在不同的主轴方向具有不同的热膨胀系数，同时铺层内部各点的热膨胀系数处于非连续分布状态，即便在无约束限制的条件下，构件的热膨胀也经常伴有应力的生成和变化。即使采用对称铺层设计，但实际铺叠过程中存在角度偏差，尤其该制件加强边为环形结构，在环形拐角处铺叠角度更易发生偏差，使整体构件铺层对称性发生偏离，固化过程中制件内部伴有应力生成和变化，最终导致加强边局部变形。由于复合材料的热膨胀系数与一般金属材料的热膨胀系数之间存在显著差异，由模具导致的变形是不容忽视的固化变形。固化过程中，当复合材料构件在高温下定形时，其形状与同一时刻的模具形状相一致。而由于热胀效应，模具在该时刻的形状与模具的室温形状（原形）制件存在差异。固化反应结束后，随温度的下降，模具形状回复到原形，但复合材料构件由于具有与模具不同的热膨胀系数，其形状无法随模具同步回复。该制件工装高温条件下延长度方向膨胀量大于宽度方向导致制件向长度方向膨胀，使得制件实际外形弧长比理论弧长大近3 mm，同时加强边长度方向膨胀导致蒙皮长度方向两端产生应力，最终使蒙皮出现张口状态。

2.4 制件内部质量

使用Sonatest的700M型号超声波探伤仪对制件的蒙皮、T形加强筋、环形加强边以及筋条和蒙皮的胶接面进行内部质量无损检测，内部均无分层、孔隙密集、夹杂等缺陷。在制件余量区取样制作金相试样，测试其孔隙率小于1%。由此可分析，采用CCF800H/QY260E预浸料和J-270B高温结构胶黏剂体系、通过共固化工艺与二次胶接工艺组合制备的高温复合材料发动机舱口盖内部质量良好，符合技术要求指标。

2.5 力学性能

表4为随炉件力学性能测试结果。

2.6 辅助材料

根据固化温度需求，工装气密及制件制造过程中选用不同辅助材料进行工艺验证。表5为选择不同工艺辅料时实际固化参数及辅助材料出罐后状态分析结果。根据制件内部质量检测结果及固化曲线分析，可初步选择WN1500(厚度75μm)真空袋、ULTRAWEAVE透气毡、SM5126和AA-15作为CCF800H/QY260E材料体系固化用辅助材料。

2.7 工装

复合材料构件的固化变形是材料固有特性经固化过程后的必然体现，是由构件自身材料的化学、物理特性和固化过程中模具形状的变化而引起的，其影响主要体现在：一是模具与构件之间热膨胀系数不一致；二是模具与构件之间的相互作用力；三是模具与构件之间的热传导。工装热膨胀系数不匹配带来的变形是具有一定可控性的，针对制件形状复杂、对外形精度要求高的高温固化材料体系，可选择与复合材料热膨胀系数相近的工装材料，如碳纤维复材工装或Invar钢，该制件虽然尺寸较小，但固化温度高，工装热膨胀对制件外形尺寸及加强边位置精度影响较大，因此，可通过工装材料的选择进行固化变形的控制。此外，李桂东^[28]研究表明：模具型板厚度越厚，导热效果越差，层合板厚度方向上温度差异越大，且层合板中心点温度越低，所需固化完成时间越长；不同支撑结构下，型板表面温度分布越均匀，构件固化梯度越小。因此，还可通过型板厚度、结构形式、工装设计回弹补偿等方式控制制件变形。

3 结论

针对高温复合材料体系，热压罐的最大工作温度、最大工作压力、内部真空管路、热电偶、真空嘴等是制件生产制造的必备条件，同时热压罐还应提供N₂气源，有效防止辅助材料碳化。工艺辅助材料不仅需要满足使用温度需求，其厚度、室温下的工艺性等也是影响整体质量的关键因素。对于高温树脂体系且结构较为复杂的制件应通过模具材料选择、模板厚度、结构形式、设计补偿等方式控制制件变形及外形尺寸误差。

制造过程中问题解决：应加强环形加强边铺叠角度控制，尤其是转角位置的角度控制，可设计并制作铺叠样板，并在样板表面不同位置处标记坐标系，铺叠时按样板坐标系控制铺叠角度，提高铺叠角度准确性； T形长桁固化时卧边朝上封装时在卧边使用玻璃钢薄板或金属板作匀压板，保证卧边整体平整度；T形长桁与蒙皮二次胶接时加强边内侧空腔用硅橡胶切条后填充，既防止封装时真空袋架桥被击穿，又可避免加强边上翻边变形。

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