1、670第17届全国复合材料学术会议论文 摘要 在 分 析 了 复 合 材 料 蜂 窝 夹 层 的 外 形 和 结构 特 点 后， 从 零 件 材 料、 成 型 工 艺、 金 相 测 试 等 方 面 对 零件 的 制 造 工 艺 进 行 了 详 细 的 分 析 和 研 究。 针 对 蜂 窝 夹层 共 固 化 零 件 各 制 造 环 节 的 关 键 技 术 和 加 工 难 点， 提 出了相应的工艺解决方案。关键词：蜂窝夹层结构 复合材料 共固化成型工艺ABSTRACT Based on the structure and shape of composite honeycomb sandwich,
2、the manufacture technologies are detailedly studied and analyzed from material,process, metallographic atlas,et al.This paper aims at offering the proper technology to solve the problems in key points of the co-cure technique and the machining pro-cess.Keywords: Composites Honeycomb sandwich structu
3、re Co-cure process夹芯结构具有较高的减重效率，在各种军、民机雷达罩、舱门、副翼和舵面结构中广泛使用1-5。为了降低复合材料制造成本，蜂窝夹层结构的共固化成型工艺越来越受到重视6-7。对于夹层结构，设计的结构比较复杂，蜂窝需要在飞机上梁、框、肋等主体结构部位断开，导致加压不当，就会出现蜂窝大面积压塌的现象，造成制件的报废；采用共固化成型工艺的情况下，通过蜂窝传递面板的压力是不均匀的，再加上内外蒙皮往往为薄壁结构，导致上下蒙皮受力不均而出现大面积的孔隙密集，造成制件的报废。为了成功的制造出符合设计要求的零件，我们对零件的制造工艺进行系统的研究和试验。1 蜂窝夹层结构零件的结构、形
4、状、材料及制造难点1.1 蜂窝夹层结构零件的结构、形状蜂窝夹层零件如图 1 所示，主要有下蒙皮、胶黏剂（胶膜）、蜂窝芯、胶黏剂、上蒙皮组成8。图1 蜂窝夹层结构示意图Fig.1 Honeycomb sandwich structure本文选用了比较典型的蜂窝夹层零件外形，如图 2所示，它包含了等高度（平面）和变截面蜂窝蜂窝夹层结构。上下蒙皮的铺层为【45/0/45】，其中 45为 CF3031/BA9916- 织 物 预 浸 料，0 为 CCF300/BA9916- 预浸料。图2 蜂窝夹层结构零件的外形图Fig.2 The shape of honeycomb sandwich structu
5、re1.2 材料CF3031/BA9916- 织 物 预 浸 料：含 胶 量 为382%，固化后单层厚度为 0.23mm，树脂体系为高温固化韧性环氧树脂，北京航空制造工程研究所；CCF300/BA9916- 预浸料：含胶量为 343%，固化后单层厚度为 0.125mm，树脂体系为高温固化韧性环氧树脂，北复合材料蜂窝夹层结构的共固化成型工艺研究Study on the Process of Co-Cured Sandwich Composites Structure中航工业复合材料技术中心 毕红艳 段友社 陈永清 侯军生中国人民解放军驻沈阳飞机工业 ( 集团 ) 有限公司军事代表室 李 察671
6、第17届全国复合材料学术会议论文京航空制造工程研究所；Nomex 蜂窝：规格 NRH-2-48，高度 20mm，平压强度 1.48MPa，纵向剪切 0.89MPa，剪切模量 37.8 MPa，横向剪切 0.53MPa，剪切模量22.8 MPa；北京航空制造工程研究所；J116A 胶膜：厚度0.350.40mm，面密度(42030) g/m2，针织尼龙纱网载体膜状，常温 (23 ) 板 - 板剥离强度 7.5KN/m，剪切强度35MPa，黑龙江石化所；J-60粉状发泡胶:密度0.6g/cm3，发泡比 1:1.2, 常温 (23 ) 抗压强度 15MPa，管剪强度 5MPa，黑龙江石化所。1.3
7、蜂窝夹芯结构共固化成型难点根据蜂窝夹层结构零件的外形和结构特点、材料、质量要求等和复合材料制造工艺特点，其制造难点如下：（1）蜂窝芯的边缘发泡工艺及加工工艺；（2）蜂窝夹层结构的共固化工艺参数的确定；（3）蜂窝夹层结构零件在成型过程中蜂窝变形控制措施；（4）预浸料对共固化夹芯结构质量影响；（5）上下蒙皮内部质量的控制措施。2 蜂窝夹芯共固化成型工艺研究2.1 蜂窝芯的边缘发泡工艺及加工工艺在预发泡的蜂窝区域下表面贴上隔离层，将 J-60发泡胶放置于蜂窝芯的空隙中。蜂窝发泡过程中，填充的发泡胶的数量、发泡过程中是否抽真空等因素的影响，则可能会引起以下几个问题：发泡胶在升温过程中,体积膨胀会对蜂窝
8、壁产生一个侧向的压力 , 易引起蜂窝芯位置滑移；发泡后蜂窝表面的平整度；发泡胶中发泡剂分布不均而引起的局部过量发泡。为解决以上问题，我们做了几个试验，见表 1，其中：a. 填满发泡胶，不抽真空；b. 填满发泡胶，抽真空；c. 不填满发泡胶，抽真空；d. 不填满发泡胶，不抽真空。由表 1 结果表明，在蜂窝发泡过程中，发泡胶的填充量和发泡过程中是否抽真空对发泡效果有决定性影响，c 组填充的发泡胶填充比例为 1:1.2，并且发泡过程中一直抽真空，具有很好的发泡效果。 蜂窝发泡后，要根据所需的形状进行切割，加工时采用辅助工装配合，避免对尖角区蜂窝造成损伤。2.2 蜂窝夹层结构的共固化工艺参数的确定采用
9、共固化工艺成型蜂窝夹层结构，需要根据预浸料、蜂窝芯、胶膜对温度和压力的要求制定固化工艺。最终确定的封装工艺如图 3 所示，共固化工艺参数如图4 所示。1- 模具 ; 2- 隔离层 ; 3- 下蒙皮 ; 4- 蜂窝芯材 ; 5-挡条 ;6- 密封胶 ; 7- 上蒙皮 ; 8- 隔离层 ;9- 软膜；10- 透气毡；11- 真空袋；12- 真空泵图3 封装工艺示意图Fig.3 Schematic of assembly in the co-cure process with vacuum bag表1 蜂窝发泡试验试验内容 a b c d发泡胶填充高度比例1:1 1:1 1:1.2 1:1.2发泡过
10、程中是否抽真空不抽 抽 抽 不抽填冲状态 填满填满并挤压蜂窝内壁，引起了蜂窝的位置滑移填满 没有填满蜂窝表面效果 不好 较好 好 不好发泡胶内部孔隙很小 较大 较大 很小发泡后表面图片672第17届全国复合材料学术会议论文图4 共固化工艺示意图Fig. 4 Schematic of of technics in the co-cure process2.3 蜂窝夹层结构零件在成型过程中蜂窝变形控制措施本实验采用的 Nomex 蜂窝是规格为 NRH-2-48，高度为 20 mm 的蜂窝芯，由于蜂窝密度较低，高度较高，蜂窝芯材在受压时易失稳，因此在固化时蜂窝芯的抗压能力较弱。主要存在的形变方式有：
11、发泡引起的蜂窝芯位置滑移；蜂窝芯受热受压引起的收缩变形 ; 侧向压力使蜂窝芯产生的形变。以上几点原因均可能导致胶接过程中蜂窝芯局部位置滑移 , 产生形变。, 因此 ,有必要对工艺进行改进 , 避免形变的发生。针对发泡引起的蜂窝芯位置滑移，我们在 2.1 蜂窝芯的边缘发泡工艺及切割工艺中已经提出了改进的方式，下面主要针对蜂窝芯受热受压引起的收缩变形和侧向压力使蜂窝芯产生的形变进行工艺改进。2.3.1 蜂窝芯受热受压引起的收缩变形控制蜂窝在收到压力和热的影响下，会产生收缩变化9，如图 5 所示。图 5 蜂窝夹层结构的受力模型Fig.5 The force models of honeycomb s
12、andwich structure对蜂窝芯进行了收缩率试验，结果见表 2。表2 蜂窝芯收缩率试验序号 温度（） 压力（MPa） 压缩量（%）1 常温 0.6 0.252 180 0.6 3.953 180 0.5 2.884 180 0.45 2.85 180 0.3 1.96 180 0.2 1.57 180 0 0.43从表 2 中可以看到温度和压力对蜂窝压缩率的影响非常大，随着温度和压力的升高压缩量越来越大。蜂窝芯所采用的树脂体系是酚醛树脂，有可能固化过程中固化程度不高或者在空气中可能会吸湿性能有所下降，将蜂窝进行一次热处理后再进行收缩率试验，发现收缩变形有所缓解，收缩率降低了 40%
13、左右。为了加强蜂窝芯的抗形变能力，在做试验前对蜂窝芯进行高温处理，提高蜂窝芯树脂的固化程度并对蜂窝芯进行除湿，增加其各个方向的承压能力，从而减少了蜂窝芯胶接过程中的收缩变形。如果采用容重更高的蜂窝芯，固化时应该能承受更大的成型压力（见表 3）。表3 不同的容重对蜂窝压缩量的影响序号 容重（g/cm3） 压缩量（%）1 48 2.882 52 2.83 62 1.84 68 1.75 82 0.982.3.2 侧向压力引起蜂窝芯的收缩变形控制在热压罐成型过程中，蜂窝的四周发泡的三角区域，所受的压力 F 可分解为一个蜂窝孔格方向的压力 f1和一个侧向的压力 f2，见图 6。对于蜂窝来说，蜂窝平面压
14、缩强度比较高，而在 W 向和 L 向则不具备较高的承压能力。采用共固化成型工艺，蒙皮也不具有抗压能力，在 0.45MPa 的高压下，三角区域的蜂窝芯承受了非常大的侧向压力。a: 变形示意图b：蜂窝变形图c：改善工艺后相同位置图图 6 蜂窝夹芯零件变形图Fig.6 Distortion of honeycomb sandwich structure on compression 673第17届全国复合材料学术会议论文针对这种情况，我们通过工艺改进来解决这个问题。通过实施以上措施，减少了三角区域蜂窝芯承受的侧向压力，得到的制件外观质量好，没有变形，见图 6（c）所示。2.4 预浸料对共固化夹芯结构
15、质量影响相对于胶接成型蜂窝夹芯结构，共固化成型夹芯结构对预浸料的含胶量、树脂流动性10-12等要求更为严格，采用层压板正常使用的预浸料进行夹芯共固化试验，结果是上下面板出现大量树脂不能完全填充的空腔，树脂未能完全包覆纤维，如图 7 和图 8 所示。CF3031/BA9916- 织物预浸料标准含胶量为382%，在预浸料生产过程中，不可避免出现 36% 左右的低含胶量预浸料，低的树脂含量和较高的树脂粘度，影响共固化成型工艺上面面板的成型质量。根据试验结果，对预浸料含胶量进行精确控制，使其控制在 3940% 之间，并降低树脂粘度，试验结果夹芯上下面板未现空腔等缺陷，见图 9 所示。图7 低含胶量高粘
16、度预浸料成型夹芯上下面板Fig.7 Face quality of both top and bottom sandwich panels with low resin content high viscosity prepreg图8 上下面板空腔示意图Fig.8 Sketch of cavum on both top and bottom panels图9 改进后的夹芯面板及示意图 Fig.9 Sandwich panels with improved prepreg2.5 上下蒙皮内部质量的控制措施采用共固化成型蜂窝夹层结构，蒙皮的内部质量难以控制。在共固化成型过程中，由于蜂窝芯的原因，蒙
17、皮成型压力不能太高并且压力分布不均匀，容易在蒙皮上造成孔隙密集。下蒙皮介于模具和蜂窝之间，施压时难以加上压力，相对来说比上蒙皮的内部质量更差些。因此，要改善蒙皮的内部质量，对下蒙皮进行预先处理。处理后无损检测下蒙皮无缺陷，通过金相检测也无孔隙（见图 10，b）。如果直接在蜂窝上表面铺叠上蒙皮，由于压力不均无法把蒙皮内部的空气赶出，上蒙皮内部会出现空隙密集。因此，上蒙皮可先在下蒙皮模具上铺叠并抽真空，将蒙皮内部空气赶出，在蜂窝上放置上蒙皮。固化后通过无损检测内部质量无缺陷，通过金相分析（见图 10，a），除了织物搭接的地方有时会有个小孔洞外其他地方无孔隙。（a）上蒙皮金相照片（b）下蒙皮金相照片
18、图10 蒙皮金相照片 Fig.10 Metallographic atlas of both top and bottom panels3 结论本文针对蜂窝夹层结构共固化成型工艺的难点分674第17届全国复合材料学术会议论文析，进行了一系列的工艺试验，最终研制出了一批蜂窝夹芯试验件。该试验件研制中主要有如下技术创新点：a. 确定了蜂窝芯边缘发泡工艺及加工工艺；b. 制定了蜂窝共固化成型工艺参数；c. 对蜂窝夹层结构零件在成型过程中的变形提出了有效的控制措施；d. 选用的预浸料要具有较高的含胶量和较低的树脂粘度，保证比较好的流动性；e. 并对共固化成型蒙皮的内部质量进行分析及控制。参 考 文 献
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