复合材料多隔板框梁结构的RTM工艺成型.pdf

　８２　　　　　　复合材料多隔板框梁结构的ＲＴＭ工艺成型　　　　复合材料多隔板框梁结构的ＲＴＭ工艺成型　　　　　　　　　　刘志杰，闫超，罗辑，祝君军　　　　　　　　　（１．成都飞机工业公司复合材料加工厂，成都６１００９１；２．成都飞机工业公司检验检测部，成都６１００９１）　　摘要：复合材料多隔板框梁结构复杂，内外形精度要求高，本文研究了采用树脂传递模塑成型（ＲＴＭ）工艺实现该类结构　　　的精确制造。介绍了ＲＴＭ成型模具的设计、预制体的制备及其注胶工艺的改进，并讨论了它们对于ＲＴＭ制件质量的影响。　　结果表明，整板型注胶口利于大型复杂结构的树脂注胶；适当增大注胶压力，并进行保压，有利改善制件表面质量；控制预制　体和树脂中的气泡有利改善制件内部质量；预制体转角区增加额外填充材料可以避免该区域的富树脂及其脱落引起的表面缺　　陷。最后对其力学性能进行了测试分析。　　　　关键词：多隔板框梁；ＲＴＭ；流道　　　　　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１５）０１－００８２－０６　　高性能树脂基复合材料因其高的比强度和比刚　　　　　　　度、优异的耐腐蚀性、耐疲劳性以及良好的可设计　　　　性，已在航空、航天等国防工业领域得到了广泛的应　　　用，成为衡量飞行器先进性的重要指标，但其高昂的　　制造成本阻碍其进一步发展和更广泛应用。因此，　以树脂传递模塑成型（ＲＴＭ）工艺为代表的一系列　　　低成本复材制造技术应运而生。ＲＴＭ工艺因不使　　　　用预浸料和热压罐而大大降低了复合材料制造成　　　　　本，而且ＲＴＭ工艺是典型的闭合模成型技术，其产　品尺寸和表面精度也远高于传统真空袋法制造的复　’　　材制件精度。　　　高性能复合材料在飞机上的应用已经逐步由垂　　　　　尾、平尾、鸭翼等次承力部件推广到机翼、机身等主　　　承力部位，机身上有诸多带隔板的框梁结构，其最长　　　　　　尺寸可达到２１００ｍｍ以上，框梁内部最多设置有１７　　　　　块隔板，因其内外表面均存在着装配关系，所以内外　表面的精度要求均不大于±　　　０．２５，且内腔有若干隔　板，位置精度要求不大于±　０．５，采用传统手铺一真空　　　袋成型工艺难以铺叠如此复杂结构，且真空袋面的　　　　表面精度难以满足装配要求，而ＲＴＭ工艺则可较好　　　解决上述问题。框梁结构采用ＲＴＭ工艺制造，一般　　　是在转角或一条棱边选取若干点或线作为注胶口，　　将液态的树脂通过压力注入封装在成型工装中的碳　　　　纤维预制体中，树脂注满后则通过若干点出胶口溢　　　出。但带隔板的框梁由于尺寸长、结构复杂，树脂在　　　　预制体中的流动更为复杂，流程也更长，注入树脂传　　　递的压力如果不能快速推动树脂前进，则很可能难　　　　以在树脂窗口期内注满整个预制体，导致注胶失败　　　或者其他的产品质量问题。本研究中通过选取不同　　　　的注胶方案以及调整参数，以期获得内外型面俱佳　　和隔板位置精确的多隔板框架结构典型件，所制典　　　　　　型件长约７００ｒａｍ，宽约２５０ｒａｍ，具体结构见图１。　　　　　　图１典型多隔板框梁结构示意图　　　　　—　　　　Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｙｐｉｃａｌｍｕｌｔｉｃｌａｐｂｏａｒｄａｍｅｇｉｒｄｅｒ　　　１实验部分　　１．１材料及设施　Ｔ３００级碳纤维平纹织布；ＲＴＭ工艺用双马来酰　　　　—　亚胺树脂；ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ树脂注射机；恒温烘箱；Ｏ　　　ｌｙｍｐｕｓＯＭＮＩＳｃａｎＭＸ２相共振超声检测仪；框梁成　　　　　　　　　型工装、预制体制造工装使用４５＃钢，自制；使用　　　　５０Ｄ５硅橡胶板，按照需要尺寸自制密封条；其他管　　路、快速接头等皆为市购。　　—　收稿日期：２０１４－０５１３　　　本文作者还有漆松林。　　　　　基金项目：成飞公司自研课题（２００９０１３）　　　　　　　　　　　作者简介：刘志杰（１９８１一），男，硕士，工程师，主要从事先进复合材料制造工艺方面的研究，ｌｉｑｕｅｌｍｅ００２７＠１６３．ｃｏｍ。　ｌＩ　８４　　复合材料多隔板框梁结构的ＲＴＭ工艺成型　　２０１５年１月　　　　　流速为１～５ｍＬ／ｓ，注射压力范围为０．１～０．６ＭＰａ。　　　　当胶液从溢胶口溢出时，关闭溢胶口球阀，待所有溢　　　　　　胶口球阀关闭后，逐一打开溢胶口进行排气，当所有　　　　　　连接溢胶口的氟塑料管中再无气泡时，关闭溢胶口　　　　和注胶口球阀，适当保压后，停止注射机注胶。烘箱　　　继续升温，按照树脂的标准完成固化。　　　１．２．５脱模　　完成固化，待模具自然冷却后，取掉所有螺栓，　　取下盖板，利用顶出螺杆将底板和芯模慢慢取出，随　　　　　后取下底板，并将芯模逐一取出，为了便于脱模，芯　　　　　模可以设计为组合式模具。脱模后的制件实物见　　图５。　　　　　　图５典型多隔板框梁成型制件图　　　　　　　—　Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙｏｆｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｍｕｌｔｉｃｌａｐｂｏａｒｄ　　　ｆｒａｍｅｇｉｒｄｅｒｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　　２结果与讨论　　　　２．１流道设计　　　在典型件制造中，选用了几种不同的流道设计　　方案进行试验，具体注胶方案见表１。　　　　表１不同注胶方案的对比　　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｓｅｖｅｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｓｉｎ　　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ　　ＦＲＰ．／ＧＭ：２０１Ｓ￣Ｎｏ．１　　　　从实验结果来看，方案一中胶液甚至都没有从　　　　　　溢胶口中流出，说明胶液在注胶窗口期内没有浸满　　　整个预制体，经过流道设计改进后的方案二和方案　　三中，胶液都能在窗口期内浸满整个预制体并从溢　　　胶口中流出，说明模具流道设计对于ＲＴＭ工艺至关　　重要。　　结合本实验中的多隔板框梁结构来说，首先，在　　　有窗口期限制的ＲＴＭ注胶工艺中，流道设计中要计　　　算注胶的流程，多隔板框梁结构较为复杂，选择常规　　　　的一端注胶另一端溢胶，则注胶流程太长也太曲折，　　而选择合适的中心注胶则能尽量缩短注胶流程，保　证胶液在窗口期内走完整个流程。至于选择何种流　　　道设计，需要根据具体结构而定，而一些简单结构在　　　尺寸不大时可以优先选择从一端注胶，这样可以避　　　　　　　　免因树脂流动前锋的相遇而裹入气体，在一般的　　　　ＲＴＭ工艺中，均可以通过选择注胶口和溢胶口的位　　　置和数量来对注胶流程进行修订Ｊ。其次，提高注　　　　　胶效率，增大注胶面积有利于成功实施ＲＴＭ工艺，　　　　特别是对于一些大尺寸的较复杂结构，简单的点注　　　胶口或多点注胶由于注胶量有限，注胶效率太低，难　　　以在有限窗口期内完成整个预制体的浸润，即使溢　　　　　胶口有溢胶，由于注胶时间过长，内部气孔数量难以　　　　控制，其质量也无法保证。在方案三中，将注胶口由　　点状改为线型，提升了注胶效率，结果在更短时间内　　　　溢胶，但内部和表观质量都得到了提高，当面对尺寸　　　更大，结构更复杂的制件时，在不影响表观质量和装　　　　配的前提下，甚至可以考虑从一个面来实现结构的　　　注胶，通过模具结构的改进或者增加一层导流网均　是可以实现的。　　　２．２质量问题　　　　２．２．１表面贫胶　实验中使用了三种工艺方案，仅有方案二和方　　　　　　　案三获得完整注胶的ＲＴＭ制件，采用方案二制造　　　　　的制件（制件Ａ）的腹板面和侧面均有肉眼可见的　　　　　　　密集凹坑，即树脂未完全浸润渗透的贫胶区域，而　　　　　　　　采用方案三制造的制件（制件Ｂ）的外观良好，见　　图６　　　　　　复合材料多隔板框梁结构的ＲＴＭ工艺成型　　图７表面干斑缺陷图　　　　　　　　Ｆｉｇ．７ＴｈｅｐｈｏｔｏｏｆｔｈｅＳＵｌ￣ａｅｅｄｒｙｓｐｏｔ　　　　　图８转角区增强纤维填充示意图　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．８Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒｆｉｌｌｅｄｉｎｃｏｒｎｅｒａｒｅａ　　２．２．３内部疏松　　使用相共振超声检测仪对Ａ、Ｂ制件进行扫描，　　　　Ａ、Ｂ制件的侧面区域检测结果见表２。Ａ制件内部　存在密集的弥散性气孔，是复合材料内部疏松导致。　　Ｂ制件的内部质量较好，穿透能量分布均匀。　　　　表２试验件无损检测结果的对比　　　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　　　　　　ｔｅｓｔｉｎｇｏｆｐａｒｔＡ（ａ）ａｎｄｐａｒｔＢ（ｂ）　内部气孔的形成主要是由于树脂在纤维束间与　纤维束内的流动不平衡造成的。纤维束间的树脂流　　　动主要依赖于外界施加的压力推动，而纤维束内的　　　　树脂流动主要依赖于纤维的毛细作用，树脂前锋一　　　　旦流动不平衡，就可能在束间或束内形成袋状气体　　　　区，因此由于交叉纤维引起的树脂前锋相遇就可能　捕获这些袋状气体区从而成为气泡或孔隙。从超声　　　波检测结果来看，Ａ制件内部存在很多气泡或局部　　　　　　弥散性气孔，因为改进前的方案中，树脂注胶效率　　　　　低，树脂前锋压力不足，一般在压力较低的情况下，　纤维束内的树脂流动要快于纤维束间的流动，容易　　导致气体捕捉而形成气泡或气孔。事实上，要使树　脂在纤维束间与纤维束内的流动保持平衡是难以控　　　　　　　制的，气孔的捕获在ＲＴＭ工艺中也难以避免，这些　气孑Ｌ通过注胶工艺的改进都是可以降低到很低甚至　　　　消除的。在改进后的方案中，由于树脂的注胶效率　　　　大大提高，树脂前锋压力提高，树脂流动更加平衡、　　　　顺畅，捕获的气孔也降低至很少。其次，提高了预制　　体合模后的真空度，在此种情况下，即使被树脂捕获　的气孑Ｌ，其内部压力也是接近真空压，随着周边树脂　　　　　　　　　　　　　流体压力的增加，孔隙将随之收缩甚至可能消失¨　　　　　　　ｎ。再者，延长树脂的真空脱泡时间，避免由　　　树脂带入过多气体，可以从源头上减少产生气泡的　　　　机会。最后就是要确保成型模具的气密性，否则渗　　漏进入模具的气体可能置换已经浸入的树脂而导致　　　制件内部产生气孔。经过上述的工艺改进后，制件　　　　　　　　　内部质量获得极大提高，Ｂ制件的超声检测结果　合格。　　　２．３力学性能　　　在框梁试验件上截取了部分平板加工成试样，　　对其拉伸性能和压缩性能进行测试，并与热压罐制　　　造的平纹碳布板的性能进行了比较，结果见表３。　　　表３ＲＴＭ成型试样与热压罐制造的层板力学性能对比　　　　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ３Ｔｈｅｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｔｈｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ　　　　　ｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙＲＴＭａｎｄａｕｔｏｃｌａｖｅ　　　　　　　从表３中可以看出，采用ＲＴＭ工艺制造的样件　　　　力学性能相比热压罐中制造的制件性能有所下降，　　　　　可能的原因是ＲＴＭ成型时模腔内的树脂压力相比　　　　　　　热压罐内预浸料固化时所承受的压力要小，以致　　　ＲＴＭ制件内部的孑Ｌ隙率值要更高一些，因此其宏观　表现出来的力学性能值会有所降低。　　　３结论　　　从工艺实验的过程和结果来看，选择适当的模　　　　具流道设计以及合适的注胶工艺参数，采用ＲＴＭ工　　　２０１５年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　８７　艺制造的复材制件完全可以满足质量要求。通过总　　结得到下列结论：　（１）ＲＴＭ成型模具的流道设计要结合制件结构　综合考虑，合理设置胶口的位置和具体形式，整体的　　　　线型注胶口的注胶量大，树脂传递压力高，有利于大　　型复杂结构的树脂注胶；　　　　（２）较大的注胶压力并辅之以一定的保压时间　　　有利于ＲＴＭ成型制件表面质量的改善；　　　　　（３）提高工装的气密性，改善模具内预制体的　　　真空度，并对树脂进行脱泡处理，将有利于获得内部　　孔隙率更低的制件；　（４）在预制体转角区增加额外的填充纤维材　　　料，可以避免该区域出现富树脂，并避免表面出现树　脂脱落。　参考文献　　　　　　　　　［１］马青松，陈朝辉，郑文伟，胡海峰，肖加余．树脂传递模塑一复—　合材料成型新工艺［Ｊ］．材料科学与工程，２０００，１８（４）：９２９７．　　　　　　　　　　［２］张玉龙，李长德，王喜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