高温多次固化对复合材料力学性能影响

Effect of Multiple Curing at High Temperature on Mechanical Properties of Composites

摘要

采用T800级高韧性碳布及碳带预浸料、T800级玻璃纤维预浸料、芳纶与石英混编预浸料制造层压板，探究高温高压多次固化对层压板力学性能的影响。连续经历5次高温高压固化，检测层压板孔隙缺陷、弯曲强度、剪切强度。结果表明：4种不同预浸料层压板的内部质量合格。随着固化次数的增加，T800级高韧性碳布层压板的弯曲强度下降最明显，T800级玻璃纤维预浸料层压板的剪切强度下降最明显。但是4种预浸料层压板的弯曲强度和剪切强度下降幅度均小于10%。芳纶与石英混编预浸料固化5次后的剪切强度最低值比理论指标低1.64%，其余材料的剪切强度均高于各层压板性能要求。

关键词

碳纤维 / 玻璃纤维 / 多次固化 / 孔隙缺陷 / 弯曲强度 / 剪切强度

Key words

Carbon fiber / Glass fiber / Multiple curing / Pore defects / Bending strength / Shear strength

近年来，复合材料因其高比强度、高比刚度和优异的抗疲劳性能^[1]，以及能够实现整体成型的特性^[2]，在飞行器结构领域得到了广泛应用^[3-4]。复合材料整体化结构通常由多个次级部件组成^[5-6]，主要采用共固化、共胶接或二次胶接的成型方法^[7-8]。虽然胶接成型在工艺可靠性方面有明显优势^[9]，但与共固化成型相比，固化次数的增加必然导致材料循环经历多次高温高压环境^[10-12]，这可能会对材料的力学性能造成不利影响^[13-14]。针对这些问题，胡紫阳等^[15]研究多次固化对SW-280A/环氧树脂层合板力学性能的影响。结果表明：在压力为0.3 MPa，温度为140 ℃条件下固化5次，对层合板力学性能的影响有限。MAMALIS等^[16]将碳纤维增强复合材料制造的涡轮叶片在海水环境中持续浸泡6个月，发现由于水的作用导致材料软化，复合材料的强度显著下降。MOUZAKIS等^[17]研究了温度、湿度和紫外线辐射共同作用对复合材料的影响。结果表明：复合材料强度有所下降，老化后试件表面出现微小裂纹。隋晓东等^[18]研究了国产碳纤维双马来酰亚胺复合材料在高温环境下力学性能的变化，结果表明：150 ℃老化1 000 h，处理后的复合材料弯曲性能和层间剪切强度未产生明显恶化现象。周益星等^[19]研究表明，碳纤维增强改性双马树脂预浸料通过一定限度的多次固化，材料综合力学性能得到提升。PEREIRA等^[20-21]研究表明，二次固化有利于提高树脂固化程度，从而影响固化变形。周世强^[22]研究单向碳纤维环氧预浸料的储放老化时间对其动态力学性能、弯曲性能、层间剪切性能的影响。结果显示：随着预浸料储存老化时间的延长，材料弯曲性能和层间剪切性能变化较小。以上研究主要集中于固化压力不超过0.3 MPa的T300级碳纤维/玻璃纤维增强环氧树脂/双马树脂预浸料。随着飞机性能指标的提升，复合材料结构件多采用新型的T800级高韧性碳纤维预浸料以满足强度性能要求^[23-25]。采用石英或芳纶预浸料以满足防鸟撞要求等^[26-27]。本实验综合考虑纤维种类、编织方式、树脂差异等因素，选取4种新型的高性能预浸料制造层压试板，并连续经历5次高温高压固化，测试层压板弯曲强度和剪切强度，研究材料的多次固化对其力学性能的影响，为该类新型预浸料多次固化胶接工艺制备复杂结构制件提供技术支持。

1 实验部分

1.1 主要原料

高温碳纤维单向带预浸料，AC531/CCF800H，中航复合材料有限责任公司；高温碳纤维织物预浸料，AC531/CF8611，中航复合材料有限责任公司；高温玻璃纤维织物预浸料，AC531/EW100C，中航复合材料有限责任公司；芳纶与石英混编预浸料，FQW199/5224A，中航复合材料有限责任公司。表1为固化成型后层压板的基本性能。

1.2 仪器与设备

热压罐，SCH-4×10，德国肖茨公司；万能力学试验机，LD26 305，深圳市兰博三思材料检测有限公司；光学金相显微镜，BX53M，日本OLYMPUS公司；无损探伤仪，EPOCH 1000，日本OLYMPUS公司。

1.3 样品制备

复合材料层压板的制备采用手工铺贴热压罐固化工艺。4种预浸料层压板均为10层，铺层角度均为0°。固化后层压板AC531/CCF800H厚度为1 mm，AC531/CF8611厚度为2.3 mm，AC531/EW100C厚度为1 mm，FQW199/5224A厚度为2 mm。热压罐固化参数为：固化压力0.65 MPa、固化温度185 ℃。第二次固化是将一次固化得到的复合材料按照上述固化工艺再进行一次加热加压。多次固化则依此类推。本实验采用同样的固化参数共循环固化5次。每种材料层合板试件制作5块进行力学性能测试，测试结果取平均值。

1.4 性能测试与表征

弯曲性能测试：按ASTM D7264/D7264M—2015进行测试，试样尺寸120 mm×13 mm，FQW199/5224A的跨厚比为16∶1，其他材料的跨厚比为32∶1，测试速度1 mm/min，模量为应变测试段的0.1%~0.3%，采用三点弯曲的测试方法。

层间剪切性能测试：按ASTM D2344/D2344M—2016进行测试，试样尺寸20 mm×6 mm，测试跨距12 mm，测试速度1 mm/min，采用三点弯曲的测试方法。

孔隙率测试：按GB/T 3365—2008进行测试，试样尺寸为10 mm×10 mm，采用研磨机将试样表面打磨处理后，在光学金相显微镜下观察其微观形态。

2 结果与讨论

2.1 孔隙缺陷分析

在复合材料固化成型过程中，基体中残留的溶剂、空气以及树脂或其组分释放的挥发性物质可能产生微小气泡。这些未被完全排出的气泡在固化完成后夹杂在材料中成为缺陷，即孔隙。图1为含孔隙率试样的金相照片。

本实验中的新型预浸料层压板在每次固化周期完成后，均采用无损探伤仪检测层压板内部质量。图2为连续固化5次后试样的金相照片。从图2可以看出，试样均未发现分层或孔隙密集缺陷，说明经历5次高温高压固化环境后，层压板内部质量未发生明显变化。因为热固性复合材料在第一次固化过程中树脂已基本完成固化反应，后续再固化时可以忽略层压板内部树脂交联化学反应，连续5次高温高压固化未造成孔隙率上升。

2.2 多次固化对层压板弯曲性能的影响

表2为多次固化对4种层压试板弯曲性能的影响。从表2可以看出，经历5次高温高压循环固化后，4种不同材料层压板的弯曲强度均有所下降，下降幅度最大为AC531/CF8611的9.61%。复合材料层压板的弯曲性能主要取决于增强纤维，经历5次固化后增强纤维的状态比较稳定，对性能影响较小，没有出现弯曲强度大幅降低的情况。但是多次固化导致层压板中树脂产生一定程度的老化现象，造成弯曲性能有所降低。

从纤维种类方面分析，碳纤维预浸料层压板的弯曲强度相比第一次固化后分别下降了7.73%和9.61%，下降幅度明显大于玻璃纤维预浸料层压板的1.07%和芳纶与石英混编预浸料层压板的0.99%，这可能是由于不同纤维种类在固化条件下的反应不同。从编织方式差异分析，5次固化后平纹碳布的弯曲强度下降幅度低于单向带，这是由于编织后的纤维材料，除了树脂与纤维之间的作用力外，还存在纵向与横向纤维之间的作用力，在受到外力时，能够抵抗一部分外力作用，因此下降幅度较低。对比层压板弯曲强度理论值与经历多次高温高压固化的实测值，碳纤维层压板最低强度值比理论指标高6.75%~6.96%，玻璃纤维层压板最低弯曲强度值比理论指标高54.1%，芳纶与石英混编层压板最低值比理论指标高20.4%。该数据表明，4种不同材料的层压板弯曲性能在5次高温高压循环固化阶段具有一定波动，但是弯曲强度值均大于理论指标要求，5次固化未造成弯曲强度大幅下降。

2.3 多次固化对层压板剪切强度的影响

层间剪切试验是评价复合材料界面的有效测试方法之一。表3为多次固化对4种层压试板剪切强度的影响。从表3可以看出，经历5次高温高压循环固化后，4种不同材料层压板的剪切强度均出现不同程度的下降趋势。层间剪切强度和弯曲强度有同样的变化趋势，说明增强纤维和树脂基体之间形成了良好的界面，在连续经历5次高温高压环境后仍体现了较好的力学性能。

从纤维种类方面分析，芳纶与石英混编预浸料层压板和玻璃纤维预浸料层压板的剪切强度相比第一次固化后分别下降了7.41%和7.45%，略高于碳纤维层压板的4.60%和6.24%。因为面内载荷主要由增强纤维承担，碳纤维强度优于玻纤及石英与芳纶混编纤维。从树脂种类方面分析，AC531树脂是中航工业基础技术研究院开发的新型高韧性环氧树脂，通过添加热塑性增韧剂改进其性能^[8]，其性能优于增韧树脂体系5224A，与T800级碳纤维增强体结合后，AC531强度优势更明显。

对比层压板剪切强度理论值与经历多次高温高压固化的实测值，碳纤维层压板最低剪切强度值比理论指标约高2.98%，芳纶与石英混编层压板最低值比理论指标低1.64%。该结果表明，4种不同材料的层压板剪切强度在5次高温高压循环固化阶段具有一定波动，除了芳纶与石英混编预浸料固化5次后剪切强度均低于理论要求，其余预浸料固化5次剪切强度未大幅下降。

采用本实验的4种新型高性能预浸料制造层压板，将层压板连续经历5次高温高压固化周期，层压板的弯曲强度、剪切强度性能下降幅度均小于10%。除芳纶与石英混编预浸料固化5次后剪切强度低于理论指标要求，其余预浸料固化5次后均高于材料的层压板强度理论要求。因此，在本实验中4种新型的高性能预浸料经过多次固化胶接工艺制备复杂结构制件时，若固化次数不超过5次，不会对结构件的力学性能产生不良影响。

3 结论

经历多次固化后，层压板内部质量未发生明显变化，无损质量合格。随着固化次数的增加，T800级高韧性碳布层压板的弯曲强度下降最明显，T800级玻璃纤维预浸料层压板的剪切强度下降最明显。连续经历5次高温高压固化后，4种预浸料层压板的弯曲强度和剪切强度下降幅度均小于10%，除芳纶与石英混编预浸料固化5次后剪切强度最低值比理论指标低1.64%外，其余材料均高于各层压板强度理论指标要求。4种新型的高性能预浸料通过多次固化胶接工艺制备复杂制件时，若固化次数不超过5次，不会对结构件力学性能产生不良影响。

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基金资助

中国博士后科学基金(2022MD713799)

陕西省重点研发计划(2023-YBGY-387)