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２０１０年第４期玻璃钢／复合材料６５成型压力对自粘性预浸料复合材料性能的影响赵鹏飞，赵景丽，何颖（西北工业大学第３６５研究所，西安７１００７２）摘要：本文通过试验比较了ＡＣＧ公司以ＭＴＭ－２８为树脂基体的几种预浸料经热压罐固化成型与烘箱真空固化成型层压板或蜂窝夹层结构面板试样的力学性能，验证了该类预浸料适用于两种固化工艺条件的规范是适＇－３的。关键词：无人机飞机机体；复合材料；预浸料；压力；力学性能中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ——文章编号：１００３～０９９９（２０１０）０４００６５０４１概述玻璃钢／复合材料及其蜂窝夹层结构在小型无人机飞机结构设计中已经获得了广泛的应用，适合于各种复合材料结构形式的制造工艺方法也得到了充分的使用与发展－－。用于飞机复合材料构件制造的预浸料材料是依据设计要求、结构特点、制造工艺及成本控制的需要进行选择的，通常是按照材料制造商提供的技术资料或规范中规定的固化工艺条件进行固化。由于在小型无人机飞机机体结构设计中通常采用复合材料整体共固化设计技术，即在大面积以蜂窝夹层结构为主的构件结构中利用复合材料的可设计性将梁缘条、肋缘条等主体受力结构以及力的扩散结构均设计在制件上，形成一体化混合式承力结构］，所以在选择无人机飞机结构用预浸料时需满足采用共固化工艺制造混合结构构件的需要。就中温固化的复合材料而言，在温度、压力、加压点、真空度以及升温速率、降温速率等复合材料成型工艺参数中，温度、真空度和升、降温速率一般都是被明确限定的，那么选择在加温的开始就可以加压且能在０．１ＭＰａ即真空压力下固化的树脂基体材料无疑能大幅度地降低制造成本。英国ＡＣＧ公司生产的以ＭＴＭ２８为树脂基体的预浸料就具有这样的性质，不但是一种应用广泛的结构材料，对蜂窝具有良好的粘接性，而且可以采用真空袋、热压罐或模压成型工艺进行固化成型。那么，当使用这类预浸料以共固化工艺制造无人机混合结构复合材料构件，并且受使用容重较低的蜂窝对成型过程加压压力大小的限制时，究竟采用多大的固化成型压力才能获得满足设计性能要求的制件是有必要通过实验来确定的。２实验部分为研究复合材料层合板和蜂窝夹层结构面板在固化过程中成型压力大小对性能的影响，针对某小型无人机飞机机体结构使用的预浸料材料及其所适用的真空袋与热压罐成型工艺，制备了不同压力条件下的试件。蜂窝夹层结构面板试件是通过模拟共固化成型的实际状态制备的。２．１材料实验用预浸料为英国ＡＣＧ（ＡｄｖａｎｃｅｄＣｏｍｐｏｓ．ｉｔｅｓＧｒｏｕｐ）公司生产，材料特征见表１。表１预浸料材料特征２．２试件制备在平板模具上进行单向带层合板和蜂窝夹层结—构面板试件的铺层，每铺放２３层后抽真空预压实一次，不同试板的制备状态见表２和表３。制备类似共固化成型受压状态的复合材料／蜂窝夹层结构面板（靠模具或模板一侧的面板）的试板的方法与文献［９］相同。试板的固化成型在进口美国ＴＥＣ公司的３×收稿日期：２００９－０７－０９作者简介：赵鹏飞（１９６２一），男，研究员，主要从事小型无人机飞机研制工作。ｍ，／ｅ￣：Ｎｏ：６６成型压力对自粘性预浸料复合材料性能的影响２０１０年７月６ｍ热压罐或国产带抽真空设施的烘箱中进行，固化条件为：在整个循环过程中加９８０ｍｂａｒ真空压力和一℃℃定大小的罐压，以３／ｍｉｎ的速率升温至１２０℃℃（＋５／一０）保持１ｈ，并在保持加压条件下以３／℃ｍｉｎ的速率降温至６０时卸压后出罐。为了比较，也制备了未制真空袋（即不施加真空压力和罐压）在热压罐中固化的试板。在烘箱中抽真空成型的试板的固化温度条件与在热压罐中制备试板时相同。表２面板试件制备状态试件编号预浸料层数试板厚度固化条件表３层压板试件制备状态试件编号预浸料层数试板厚度固化条件试件的加工与控制也与文献［９］中所述的相同。２．３性能测试复合材料层压板和共固化复合材料／蜂窝夹层结构面板的力学性能测试按标准进行，即拉伸性能按ＧＢ／Ｔ３３５４．９９、压缩性能按ＧＢ／Ｔ５２５８－９５、弯曲性—能按ＧＢ／Ｔ３３５６．９９、剪切性能按ＪＣ／Ｔ７７３８２（９６）。具体性能测试结果见表４～表６。”“疆Ｐ／ＣＭ２０１０￣Ｎｏｉ４３结果与分析表４给出了分别采用热压罐成型和烘箱真空成型方法制备的蜂窝夹层结构上面板的力学性能，成型压力条件见表２。由试验结果可见，尽管两种成型方法的固化压力不同，但相同预浸料上面板的力学性能没有明显差异或高低趋势，表明在使用ＡＣＧ公司生产的预浸料（ＭＴＭ２８／ｃＦ０３０４＿４２％ＲＷ、ＭＴＭ２８／ＣＦ１Ｄ３００４０％ＲＷ）制造蜂窝夹层结构复合材料时采用真空固化成型工艺是可行的。表４热压罐成型和烘箱真空成型蜂窝夹层结构上面板的力学性能表５给出了玻璃布和碳布预浸料经不同固化工艺或固化成型压力制备的层压板的力学性能，具体压力大小见表３。可以看出，这两种材料经烘箱真空固化成型的试板的力学性能与经热压罐固化的相关性能相比虽互有高低，但也均在正常范围内，表明采用真空固化成型制造的玻璃布和碳布增强复合材料的力学性能是能够得到保证的。试验也制备并测试了两种预浸料在固化成型时未加任何压力（即在不制真空袋的情况下放入热压罐中固化成型）制备的试板的力学性能，与施加了真空压力以及罐压制备的同类试板的力学性能相比，玻璃布预浸料复合材料的性能未表现出明显降低，但碳布预浸料复合材料的性能则出现了较大幅度的下降。分析认为，预浸料所用增强材料织物的厚度及纤维束粗细是产生这种结果的主要原因，玻璃布ＧＦ０３００为０．１ｍｍ厚的平纹布，而碳布ＣＦ０３０４的厚度为０．２ｒａｍ，使得玻璃布预浸料在铺层及冷抽过程中已达到被压实的程度，而且在后续的固化过程中材料的空隙含量也不会因为加热而显著增加，然而纹理粗的碳布则无法达到玻璃布的状况。事实上，从表３中试板的厚—度可以看出，ＧＷ．Ａ（Ｐ０）与ＧＷＶ的厚度基本上是—相当的，而ＣＷ．Ａ（Ｐｏ）的厚度却比ＣＷ－Ｖ和ＣＷＡ２０１０年第４期玻璃钢／复合材料６７要高出２０％。表５玻璃布和碳布预浸料经不同固化成型压力制备的层压板的力学性能表６碳单向带预浸料在几种压力状态下成型的复合材料的力学性能性能—ＣＵＤＡ（Ｐ０）ＣＵＤ－Ａ（Ｐ１）ＣＵＤ．－Ａ（Ｐ３）文献值如果说织物型预浸料主要用于无人机飞机蒙皮用蜂窝夹层结构的面板的话，那么碳纤维单向带预浸料则多用于主承力结构件或混合式结构中的主承力部位。在对混合式结构采用共固化成型工艺进行制造时，同一结构中使用的不同预浸料应能适应相同的固化条件，所以在验证织物型预浸料在固化成型过程中对压力的要求的同时，验证碳纤维单向带预浸料的固化压力需要也是必要的，表６给出了ＭＴＭ２８－１／Ｔ７００ＳＣ－１２５－３３％ＲＷ预浸料在几种压力状态下成型的复合材料的力学性能。比较性能试验结果可知，真空烘箱成型与热压罐成型（真空压力９８０ｍｂａｒ、罐压０．５ＭＰａ）试样的力学性能是相当的，而对于在无压力情况下制备的试样来说，其在模量方面仍然与加压得到的试样的性能处在同一个水平下，但在强度方面特别是表现树脂性能的强度方面显然比加压条件下试样的强度要低得多。碳纤维单向带预浸料含胶量相对较低，为保证性能，固化成型过程中施加所需的压力是必要的。总之，试验结果支持了制造商关于ＭＴＭ２８－Ｉ／Ｔ７００ＳＣ．１２５．３３％ＲＷ预浸料既可适用于热压罐成型也可适用于烘箱真空成型的规范。４结语对于文中涉及的几种英国ＡＣＧ公司生产的以ＭＴＭ２８为树脂基体的预浸料来说，试验结果表明按真空袋成型法制备的试样与在热压罐中更高压力下制备的试样的性能数据是相当的，也证明了该类材料适合于采用真空袋成型法以整体共固化成型工艺进行制造，从而为使用烘箱设备制造用于小型无人机飞机机体的结构复杂的混合式复合材料结构制件的可行性提供了直接依据，为在小型无人机领域运用复合材料过程中降低成本创造了条件。参考文献［１］赵鹏飞等．小型无人机玻璃钢蜂窝夹层结构机翼的制造［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，１９９４，（３）：３３－３７．［２］张元明等．单块式玻璃钢蜂窝夹层结构机翼设计［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，１９９５，（２）：２５．２８．［３］张元明等．小型无人机Ｃ／Ｇ复合材料尾撑杆的设计［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，１９９６，（５）：２０２４．［４］赵鹏飞等．玻璃钢蒙皮／聚氨酯泡沫塑料夹芯结构无人机机翼制造（一）工艺方案设计［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００１，（３）：２９－３１．［５］赵鹏飞等．玻璃钢蒙皮／聚氨酯泡沫塑料夹芯结构无人机机翼制造（二）制造工艺过程［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００１，（４）：３７３９．［６］张元明等．玻璃钢蒙皮／全腔填充泡沫塑料夹芯结构机翼设计［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００３，（１）：１７－２０．［７］张元明等．袋压法成型复合材料在小型无人机机体结构中的应用［Ｊ］．工程塑料应用，２Ｏ０４，（１Ｏ）：３７－４０．［８］张元明等．热压罐成型小型无人机机体结构用复合材料［Ｊ］．玻—璃钢／复合材料，２００５，（２）：５３５６．［９］赵鹏飞等．共固化成型无人机用复合材料／蜂窝夹层结构面板的性能［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，（１）：６２－６４．（下转第５２页）ｊＦＲＩ＇／ＣＭ２０１０・Ｎ０．４５２偶联剂对玻璃纤维增强环氧复合材料吸湿及力学性能的影响２０ｌＯ年７月材料工艺，２０００，（４）：３７－４０．［６］吕小军．湿热老化对碳纤维／环氧树脂基复合材料力学性能影响研究［Ｊ］．材料工程，２００５，（１１）：５０－５３．—［７］ＬｉａｏＫ，ＳｃｈｕｌｔｈｅｉｓｚＣＲ，ＨｕｎｓｔｏｎＤＬＥｆｆｅｃｔｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｇｉｎｇｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｕｌｔｒｕｄｅｄＧＦＲＰ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＢ，１９９９，（３０）：４８５－４９３．［８］乔海霞，曾竟成，杜刚．混杂纤维增强环氧树脂复合材料电缆芯湿热老化性能研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００７，（１）：４２－４５．［９］周祝林，姚辉，孙佩琼，张小苹．树脂基纤维复合材料界面理论评述［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００６，（１）：２７－３１．［１Ｏ］陈现景，岳云龙，于晓杰，祝一民．界面改性方法对玻纤增强聚丙烯复合材料力学性能的影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，—１９８（１）：ｌ４１６．［１１］ＷｏｏＭ，ＰｉｇｇｏｔｔＭＲ．Ｗａｔｅｒａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｒｅｓｉｎｓａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ：ＩＶ．Ｗａｔｅｒｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ，１９８８，１０（１）：２０－２４．——［１２］ＸｉａｎｇＺＤ，ＪｏｎｅｓＦＲ．Ｔｈｅｒｍａｌｓｐｉｋｅｅｎｈａｎｃｅｄｍｏｉｓｔｕｒｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ——ｂｙｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｒｉｘｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ，１９９７，（５７）：４５１－４６１．ＥＦＦＥＣＴＳＯＦＣＯＵＰＬＩＮＧＡＧＥＮＴＳＯＮＷＡＴＥＲＡＢＳｏＲＰＴＩｏＮＡＮＤＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬⅢＰＲｏＰＥＲＴＳｏＦＧＬＡＳＳＦｍＥＲＲＥｏＲＣＥＤＥＰＯＸＹＲＥＳＣｏＭＰｏＳＩＩ＇ＥＳ—ＷＡＮ『ＧＣｈｕｎｌｅｉ，ＷＡＮＧＣｈｕｎ．ｑｉ，ＪＩＡＮＧＤａ．ｚｈｉ（１．ＮａｖｙＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎＯｆｆｉｃｅｏｆＮｏ．９２４Ｆａｃｔｏｒｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔｓｏｎｗａｔｅｒａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ＧＦ／Ｅ一５１）ｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｍｏｉｓｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｓｈｅａＦｓｔｒｅｎｇｔｈｔｅｓｔｉｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｈｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｖ－ｅｒａ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