复合材料热压罐温度场与成型质量的关系

Relationship between temperature field and forming quality of composite autoclave

摘要

针对飞机机体中翼尖整流罩和玻璃纤维肋（简称玻纤肋）零件在制造过程中无法保证成型质量的问题，通过优化固化程序，改变进罐零件数量，使用热电偶监测零件表面温度场分布，研究温度场分布均匀程度对零件力学性能及固化变形的影响。结果表明，在固化工艺中，适当提高固化温度，可以有效地提高温度较低区域的升温速率，提升零件的力学性能，减少固化过程中的变形；当热压罐放入6个玻纤肋零件时，会导致整个罐内的升温速率下降，影响结构的固化效果，在实际生产中，应合理安排热压罐内零件数量以保证成型质量。

Abstract

Aiming at the problem that the forming quality of wingtip fairing and glass fiber rib parts in aircraft body couldn’t be guaranteed in the manufacturing process， the influence of uniformity of temperature field distribution on mechanical properties and solidification deformation of parts was studied by optimizing the curing program， changing the number of parts entering the tank， and monitoring the surface temperature field distribution of parts by thermocouple.The results show that in the curing process， appropriately increasing the curing temperature can effectively increase the heating rate in the lower temperature area， improve the mechanical properties of parts and reduce the deformation during curing. When six glass fiber rib specimens are put into the autoclave， the heating rate in the whole tank will decrease， which will affect the curing effect of the structure. In actual production， the number of specimens in the autoclave should be reasonably arranged to ensure the forming quality.

Graphical abstract

关键词

复合材料 / 固化 / 保温时间 / 热压罐 / 成型质量

Key words

composite / solidify / holding time / autoclave / forming quality

先进复合材料体系以热固性树脂为基体，通过碳纤维或玻璃纤维增强构成多尺度异质结构 ^［1-2］，凭借其比强度高、比刚度高、耐腐蚀等优点，已成为现代航空航天工程领域的核心结构材料体系 ^［3-5］。热固性树脂材料的制造工艺中固化温度是极为重要的参数，固化温度不足或保温时间过短会使树脂分子链段运动受限，导致交联网络不完整^［6］，最终引发零件翘曲变形与分层缺陷^［7-9］。周益星等^［10］通过对比不同固化次数的碳纤维/双马树脂复合材料，发现第二次固化后弯曲强度与层间剪切强度显著提升。Hosur等^［11］通过动态压缩试验发现，保温时间不足的碳/环氧层合板在高速加载下抗压强度波动增大15%。包正弢^［12］发现，随着固化温度增大，零件的固化变形略微增大，为优化保温时长提供了理论依据。许家忠等^［13］研究了不同升温梯度对复合材料固化度和残余应力的影响。Kappel等^［14］、Jung等^［15］通过设计C形和U形部件的回弹角度，保证了零件的制造精度。

热压罐固化工艺因其成型质量高、可以生产复杂结构零件等优点被广泛应用于航空制造领域。但是该工艺很容易造成罐内及模具表面的温度场分布不均，影响零件的成型质量。本文通过调整固化程序的方式研究翼尖整流罩和玻纤肋零件固化过程中温度场分布对其力学性能及成型质量的影响，同时讨论了零件数量对固化变形及力学性能的影响。

1 试验材料

本文选用的中温固化玻璃纤维环氧树脂预浸料由东丽复合材料美国公司提供，分别为CYCOM 7701/7781（3类、7781、B级）和CYCOM 7701/7781（3类、1581规格）。选用热压罐工艺进行固化，不同玻纤零件工装示意图如图1所示。其中，翼尖整流罩后缘及加强角材工装材质为铸铝，玻纤肋工装及L型天线蒙皮工装材质为普通钢材。翼尖整流罩为蜂窝夹层结构，将玻璃预浸料在模具上进行铺层，铺层方式为固化后得到厚度约为2 mm的蒙皮，使用胶膜将芳纶蜂窝与蒙皮黏接并二次固化得到成型零件，玻纤肋层合板结构铺层方式为［0°/90°］₃₀，零件厚度为3 mm。为了研究不同保温温度及升温速率对零件力学性能及固化变形的影响，通过固化程序ARJ-GH00905-001-Y控制零件的温度，同时在模具边缘处布置热电偶对零件的温度进行实时监测，不同玻纤零件的热电偶布置如图2所示，其中，①—⑩为热电偶放置点。

2 试验过程

为了研究零件温度场分布对其力学性能及固化变形的影响，本文通过固化程序ARJ-GH00905-001-Y调节热压罐温度对整流罩后缘进行4次试验。第一次试验采用固化程序ARJ-GH00905-001-X将热压罐温度调节至150 ℃保温80 min。第二次试验升温过程被分为两个阶段，第一阶段热压罐温度设置为150 ℃，当领先热电偶达到127 ℃时进行5 min保温；第二阶段将热压罐温度设置为145 ℃，继续保温75 min。第三次试验是在第二次试验的基础上将两段升温过程罐温分别提高5 ℃。第四次试验是在第三次试验调整后，将保温时间由原有的80 min缩短为75 min。在模具表面边缘余量处布置热电偶。由于零件加工数量也会对热压罐内温度场产生影响，因此，分别对比同时加工2、3、6个玻纤肋零件时罐内温度场之间的变化关系，零件加工完成后对其进行随炉拉伸试验测定零件的力学性能。根据ASTM C297测试标准，使用WDS 300 kN数显电子万能试验机以0.5 mm/min的速度进行测试，其原理如式（1）所示。

P_{\mathrm{z}}^{\mathrm{f}\mathrm{t}\mathrm{u}}=P_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}/A（1）

式中：P_z^ftu为零件极限平面拉伸强度；P_max为零件破坏前的极限载荷；A为零件的横截面积。

3 结果与讨论

3.1 翼尖整流罩后缘

为了研究翼尖整流罩后缘结构制造过程中模具表面的温度场分布情况，采用热电偶记录温度数据，并通过分析温差异来评估温度场的均匀性。通过对4次不同升温过程进行试验，翼尖整流罩后缘温度场分布情况如图3所示。图3a为采用单段升温方式的试验结果。在该试验中，热压罐的温度设置为150 ℃，保温时间为85 min。在前50 min内，领先热电偶与滞后热电偶的升温速率分别为1.6 ℃/min和1.2 ℃/min。此时，领先热电偶在90 min时升温至127 ℃，而滞后热电偶则在150 min时稳定在123 ℃。该现象表明，由于采用单段升温方式，热压罐的升温速率较快，从而导致罐内温度场分布不均，进而在模具表面产生较大的温差。

图3b为采用双段升温方式的试验结果。在该试验中，升温过程被分为两阶段，第一阶段热压罐温度设置为150 ℃，当领先热电偶达到127 ℃时保温5 min；第二阶段将热压罐温度设置为145 ℃，继续保温75 min。与单段升温相比，双段升温过程中前50 min内，领先热电偶与滞后热电偶的升温速率分别为1.5 ℃/min和1.2 ℃/min。由于升温速率较慢，模具表面最高温度的温差和升温速率的差异均得到了有效的改善。在两段升温的基础上对固化温度进行调节，将第一阶段的固化温度由150 ℃调整为155 ℃，将第二段固化保温温度由145 ℃调整为150 ℃，热压罐内温度场分布情况如图3c所示。由于温度上限的提高，领先热电偶在90 min时达到了127 ℃，而滞后热电偶则在135 min时达到了123 ℃。在升温阶段的前50 min，温度上升速率分别维持在1.5 ℃/min和1.2 ℃/min。然而，在保温过程中，领先热电偶的温度出现了轻微下降，最终保温结束时，其温度与滞后热电偶的温度趋于一致，均为125 ℃。这一现象可以归因于模具各部分热量吸收的均匀性。随着热压罐内温度的升高，较低温度区域的温度响应变得更为显著，从而减少了零件表面各区域之间的温差。图3d为调整保温时间后的温度场分布情况，在第三次调整后将保温时间由原有的80 min缩短为75 min。由于保温时间缩短，领先热电偶在112 min达到124 ℃后温度开始下降，但滞后热电偶温度仍呈现上升趋势，在131 min后滞后热电偶温度超过领先热电偶，并在降温阶段前到达125 ℃。由此推断零件升温速率较快的区域降温速率也较快，保温时间缩短后有效地缩小了领先热电偶与滞后热电偶之间的温差。由此可知，经温度调节后领先热电偶与滞后热电偶温差逐渐减小，零件表面温度场均匀程度提高。

图4为翼尖整流罩后缘力学性能及变形量测试结果图。从图4可以看出，当温度场均匀程度提高时，零件的力学性能会出现上升趋势，在经过两段固化温度提高的优化后，零件的拉伸强度提高了16 MPa，但是在缩短保温时间后零件的力学性能出现了略微下降，这可能是因为减少保温时间降低了零件中树脂的固化度进而导致力学性能的下降。当温度场均匀性提高时零件固化变形量会逐步减小，通过将一段式升温调节为两段式升温使零件升温速率差值减小，进而变形量减小了0.1 mm。经过升温调节后，领先热电偶和滞后热电偶保温阶段温差减小，使固化变形量减小了0.6 mm，由此可知温度场的均匀程度会直接影响零件的固化变形量，零件表面温差与固化变形量之间存在正相关的关系。这主要是由于温度直接决定材料的固化度，当温度场分布不均时高温区域的树脂固化度较高，低温区的树脂固化度较低，高固化度的区域会产生更大的化学收缩导致局部残余应力增加，进而导致零件变形加剧。

3.2 玻纤肋

图5为加工不同数量玻纤肋零件时温度场分布情况。图5中，领先热电偶和滞后热电偶的温度分别代表所有零件中领先热电偶和滞后热电偶的平均温度。图5a和图5b分别为同时加工2个和3个零件时的温度场分布。结果表明，处理2个和3个零件时，领先热电偶和滞后热电偶之间的温差较小。图5c为同时加工6个零件时的温度场分布，结果表明，随着试件数量的增加，领先热电偶和滞后热电偶之间的温差逐渐增大，且在加工6个零件时，最大温差可达到3℃。

图6为不同零件数量时，玻纤肋力学性能及变形量测试结果。当同时加工2个和3个零件时，零件的变形量均为0.4 mm，当加工零件数量增加至6个时，零件变形量增至0.9 mm。同时，随着零件数量的增加，玻纤肋的拉伸强度有所下降。这一现象可归因于零件数量的增加导致热压罐内零件位置的差异，从而引起温度场分布不均匀，进而造成零件变形量的增加和强度的下降。

4 结论

本文主要通过调整固化温度控制程序，研究了在热压罐内不同温度场分布对复合材料零件力学性能和固化变形的影响，得到主要结论如下：

1）相比于单段升温，分段升温方式能够有效优化温度场的分布，有助于减少由温度不均匀引起的内应力和变形。

2）适当提高固化温度，可以有效缩小零件表面各区域之间的温差。温差越小，零件内部的温度应力越均匀，因而力学性能越好，固化变形也会相应减少。

3）在相同固化工艺下，当同时加工6个玻纤肋零件时，整个热压罐内的升温速率下降。这种升温速率的下降不仅会影响零件的固化效果，还会导致零件的力学性能有所下降。因此，在实际生产中，零件数量的合理安排对成型质量和零件性能的提升具有重要意义。

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基金资助

国家自然科学基金(52371097)