5228A树脂基无胶膜蜂窝夹芯结构粘结性能研究.pdf

２０１３年第３期玻璃钢／复合材料５２２８Ａ树脂基无胶膜蜂窝夹芯结构粘结性能研究土振林（哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨１５００６６）摘要：本文采用高树脂含量的５２２８Ａ预浸料作为胶接层制备出无胶膜蜂窝夹芯结构，通过超声无损检测、滚筒剥离断面形貌及滚筒剥离强度测试等分析了无胶膜蜂窝夹芯结构粘接性能随成型压力及胶接层树脂含量的变化规律。研究表明，５２２８Ａ树脂体系具有可控的流变特性，可适用于无胶膜蜂窝夹芯结构的制备；５２２８Ａ树脂基预浸料具有良好的工艺性能，所制备的无胶膜蜂窝夹芯结构内部质量良好，蒙皮及蜂窝的粘结性能优良；蜂窝夹芯结构滚筒剥离强度随成型压力提高而提高，蜂窝夹芯结构滚筒剥离强度随胶接层树脂含量的升高而提高。关键词：蜂窝夹芯结构；粘结性能；滚筒剥离强度———中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１３）０３００９７０５１前言由于树脂基复合材料具有比模量和比强度高、可设计性强、抗疲劳性能和耐腐蚀性能好等特点，在航空航天、船舶、汽车、能源和体育医疗器材等领域的应用越来越广泛＿】．２ｊ。复合材料夹芯结构是由具有高刚度和高强度的面板（蒙皮）和低密度的芯子组成的，该结构具备极高的比强度和比刚度Ｊ，被越来越多地应用于现代航空航天飞行器结构，特别是机身蒙皮或整流罩等结构中。夹芯结构在制造和使用过程中，容易产生脱胶“和分层等损伤破坏ｌ１卜Ｊ，因此，一般采用所谓板芯”胶用于面板与蜂窝芯材的粘结，用以提高剥离强度，但胶黏剂的引入虽可提高了剥离强度，但会增加结构重量，尤其对于密度较小的蜂窝与薄蒙皮复合的夹芯结构，增加的重量相对较大。采用无胶膜蜂窝夹芯结构是解决该矛盾的较好方法，即：采用经过改性的树脂体系（控制树脂的流动性）制备成的较高树脂含量预浸料直接与蜂窝芯材粘结，也可达到较高的粘结性能。该方法对于粘结性能要求不太高而减重要求较高的蜂窝夹芯结构具有较大的应用价值。本文采用５２２８Ａ高温环氧树脂体系为基体制备较高树脂含量预浸料用于无胶膜蜂窝夹芯结构的制备并对其粘结性能进行研究。２实验研究２．１主要原材料Ｕ３１６０、ＣＦ３０３１、ＣＦ３０５２国产碳纤维织物；５２２８Ａ—高温环氧树脂；ＮＨ一１－２．７５３２－Ｈ２０国产芳纶纸蜂窝。２．２预浸料及层压板的制备本文用热熔二步法预浸工艺制备５２２８Ａ预浸料，所制备的预浸料有两种类型，Ｉ型为标准树脂含量，ＩＩ型为高树脂含量，都符合相应材料标准，其主要指标见表１。表１各类预浸料指标Ｔａｂｌｅ１Ｉｎｄｉｅａｔｏ￣ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｐｒｅｇ按层合板铺层要求裁剪、铺贴预浸料，放入涂有脱膜剂（或覆有隔离膜）的模具内，用限位条控制其厚度，热压罐成型。蜂窝夹芯滚筒剥离试样采用ＮＨ一１－２．７５－３２芳纶纸蜂窝芯材，厚度为２０ｍｍ；上下面板铺层对称。与蜂窝芯材接触的预浸料采用ＩＩ型，其他均为Ｉ型，如图１所示。将组装好的真空袋放入烘箱或热压罐，按如下固化工艺流程进行固化：—收稿日期：２０１２．１２１２作者简介：王振林（１９７０・），男，高级工程师，主要从事树脂基复合材料及成型工艺研究。ｌ００５２２８Ａ树脂基无胶膜蜂窝夹芯结构粘娃Ｉ｝生能研究２０１３年５月图７中白色圆圈标示蜂窝夹芯结构试验件破坏区域为胶接区域，表明该处的胶接强度低于蜂窝结构的强度。从图７中可以看到，当成型压力为０．１ＭＰａ时，胶接区域及蜂窝区域都存在破坏，随着成型压力增大，破坏发生在胶接区域的几率逐渐减少，当成型压力为０．２ＭＰａ时，已经不存在胶接区域破坏的现象。这表明，随着成型压力的提高，胶接强度逐步升高。３．４蜂窝夹芯结构滚筒剥离强度分析图８、图９、图１０分别为不同成型压力下Ｕ．３１６０／５２２８Ａ、ＣＦ３０３１／５２２８Ａ、ＣＦ３０５２／５２２８Ａ蜂窝夹芯结构滚筒剥离强度。从图中可以看出，剥离强度随成型压力升高而提高。这一现象验证了前面分析的蜂窝夹芯结构超声扫描图及断面裂口所揭示的随着成型压力提高，复材面板与蜂窝胶接强度逐步升高的结论。（ａ）Ｔｈｅｕｐｐｅｒｐｌａｔｅ（ｂ）Ｔｈｅｌｏｗｅｒｐｌａｔｅ图８Ｕ－３１６０／５２２８Ａ蜂窝夹芯结构剥离强度Ｆｉｇ．８ＴｈｅｄｒｕｍｐｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅＵ一３１６０／５２２８Ａｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｌ酶僻踊誊酗＿０１５ＭＰａ０２ＭＰａＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ／ＭＰａ（ａ）Ｔｈｅｕｐｐｅｒｐｌａｔｅ０．１５ＭＰａ０２ＭＰａＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ／ＭＰａ（ｂ）Ｔｈｅｌｏｗｅｒｐｌａｔｅ图９ＣＦ３０３１／５２２８Ａ蜂窝夹芯结构剥离强度Ｆｉｇ．９ＴｈｅｄｒｕｍｐｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅＣＦ３０３１／５２２８Ａｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅ０ｌ５ＭＰａ０２ＭＰａＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ／ＭＰａ（ａ）Ｔｈｅｕｐｐｅｒｐｌａｔｅ０ｌ５ＭＰａ０２ＭＰａＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ／ＭＰａ（ｂ）Ｔｈｅｌｏｗｅｒｐｌａｔｅ图１０ＣＦ３０５２／５２２８Ａ蜂窝夹芯结构剥离强度Ｆｉｇ．１０ＴｈｅｄｒｕｍｐｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅＣＦ３０５２／５２２８ＡＨｏｎｅｙｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２０１３年第３期玻璃钢／复合材料１０１为验证蜂窝夹芯结构剥离强度随预浸料树脂含量的变化关系，现选用ＣＦ３０５２／５２２８Ａ预浸料体系Ⅱ进行试验，选用的型预浸料的树脂含量分别为５０％、５２％、５６％，成型压力为０．２ＭＰａ，从图１１中可知，５２％树脂含量的预浸料体系比５０％树脂含量的预浸料体系剥离强度高３０％，５６％树脂含量的预浸料体系比５０％树脂含量的预浸料体系剥离强度高６６％。由此可以得出，蜂窝夹芯结构体系的剥离强度随ＩＩ型预浸料树脂含量提高而提高。图１ｌＣＦ３０５２／５２２８Ａ．ＩＩ型预浸料树脂含量与蜂窝夹芯结构剥离强度的关系Ｆｉｇ．１１ＴｈｅＣＦ３０５２／５２２８Ａｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｒｕｍｐｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｓｉｎｃｏｎｔｅｎｔ４结论（１）５２２８Ａ树脂体系具有可控的流变特性，可适用于无胶膜蜂窝夹芯结构的制备；（２）５２２８Ａ树脂基预浸料具有良好的工艺性，所制备的无胶膜蜂窝夹芯结构内部质量良好，蒙皮及蜂窝的粘结性能优良；（３）蜂窝夹芯结构滚筒剥离强度随成型压力提高而提高；Ⅱ（４）蜂窝夹芯结构滚筒剥离强度随型预浸料树脂含量的升高而提高。参考文献［Ｉ］陈祥宝．先进树脂基复合材料的发展［Ｊ］．航空材料学报，２０００：４６．５４．［２］益小苏，张明，安学锋，刘立朋．先进航空树脂基复合材料研究与应用进展［ｃ］．２００９年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集，２００９：１０．１４．［３］程小全，寇长河，郦正能．复合材料夹芯板低速冲击后完全及横向静压特性［Ｊ］．复合材料学报，２０００，１７（２）：１１４・ｌ１８．［４］程小全，寇长河，郦正能．复合材料夹芯板低速冲击损伤研究［Ｊ］．复合材料学报，１９９８，１５（３）：１２４－１２８．［５］唐羽烨，薛明德．蜂窝夹芯板的热学与力学特性分析［Ｊ］．复合材料学报，２００５，２２（２）：１３０－１３６．［６］李河清，赵景丽．无人机复合材料夹层结构件工装的制造［Ｊ］．航空制造技术，２００４，４：１０４・１０５．［７］贾欲明，韩全民，李巧，陈顺强．泡沫夹层结构在飞机次承力结构中的应用［Ｊ］．航空制造技术，２００９（增刊）：８・１２．［８］张广平，戴干策．复合材料蜂窝夹芯板及其应用［Ｊ］．纤维复合材料，２０００，２：２５－２７．［９］翟青霞，黄英，苗璐，陈颖．树脂基复合吸波材料在航空、航天中的应用［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，６：７２－７６．［１０］沈军，谢怀勤．航空用复合材料的研究与应用进展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００６，５：４８．［１１］谢宗蕻，苏霓，张磊等．复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤扩展特性［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２００９，４１（１）：３０－３５．［１２］泮世东，吴林志，孙雨果．含面芯界面缺陷的蜂窝夹芯板侧向压—缩破坏模式［Ｊ］．复合材料学报，２００７，６：１２１１２７．［１３］王萍萍，罗文波，邹经湘，孔宪仁．碳纤维蜂窝夹层结构动特性—分析［Ｊ］．复合材料学报，２００２，１９（６）：１３４１３６．［１４］蔡建丽，余环，王云英，熊林冬．玻璃钢蜂窝夹层结构制品常见缺陷修补技术［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１ｌ，２１６（１）：４４＿４７．［１５］梁月华，韦娟芳．蜂窝夹层结构镶嵌件剪切失效模式分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，４：２０－２３．’’ＳＴＵＤＹｏＮＴＨＥＡＤＨＥＳＩＶＥＢＥＨＡＶ１０ＲｏＦＩＨＥＣｏＭＰｏＳｌＩＥＳＤＦ５２２８ＡＲＥＳＩＮⅣⅡＨｏＮＥＹＣｏＭＢＳＡＮＤＷＩＣＨＳＴＲＵＣＴＵＲＥＷＩＴＨｏＵＴＡＤＨＥＳＥＦＭＷＡＮＧＺｈｅｎ．１ｉｎ（ＨａｒｂｉｎＡｉｒｃｒａｆｔＩｎｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｒｂｉｎ１５００６６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｏｆｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｏｕｔａｄｈｅｓｉｖｅｆｉｌｍｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｒｅｓｉｎｃｏｎｔｅｎｔ５２２８Ａｐｒｅｐｒｅｇｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｌａｙｅｒ．Ｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｍｏｌｄｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｈｅｒｅｓｉｎｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｆｉｌｍｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ，—ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｄｒｕｍｐｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｉｔｗａｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅ５２２８Ａｒｅｓｉｎｗｉｔｈａｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗａｓａｐｐｌｉｃａｂｌｅｔｏｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｏｆｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｏｕｔ—ａｄｈｅｓｉｖｅｆｉｌｍ：ｔｈｅ５２２８Ａｐｒｅｐｒｅｇｈａｄａｇｏｏｄｐｒｏｃｅｓｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ｎ１ｅｉｎｔｅｒｎａｌｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔ．Ｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｋｉｎｎｉｎｇａｎｄｔｈｅｃｅｌｌｕｌａｒｗａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔ．Ｔｈｅｄｒｕｍｐｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｍｐｒｏｖｅｄａｓｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｔｈｅｍｏｌｄｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｈｅｇｌｕｅｄｌａｙｅｒｒｅｓｉｎｃｏｎｔｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｄｈｅｓｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒ；ｄｒｕｍｐｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈ日ｄｌ暑重ｓ１８