- 相關(guān)推薦
復合材料表面疏松缺陷研究
復合材料夾芯結構具有輕質(zhì)高強的特點(diǎn)，廣泛應用于航空航天，交通運輸，體育生活多個(gè)領(lǐng)域。夾芯結構形式多樣，可以根據使用要求設計不同種類(lèi)的夾芯結構，如高強度，高模量結構，抗沖擊結構，防護結構等。下面是小編搜集整理的相關(guān)內容的論文，歡迎大家閱讀參考。
摘要：近年來(lái)，民用航空器上的復合材料應用比例越來(lái)越高，而夾芯結構的應用可以大幅提高結構性能，實(shí)現復合材料結構性能的優(yōu)化。夾芯結構由于需混合使用多種性能的材料，因而對結構設計和成型工藝提出了更高的要求。從實(shí)際應用中遇到的零件表面疏松缺陷問(wèn)題入手，對泡沫夾芯結構中用到的不同的性能材料進(jìn)行了研究，提出了優(yōu)化復合材料泡沫夾芯結構設計和生產(chǎn)的方法。
關(guān)鍵詞：復合材料，疏松
近年來(lái)，復合材料在飛機等民用航空器上的應用受到了廣泛重視，逐步從主要應用于非承力部件發(fā)展到全機應用的水平。例如，意大利馬基M346教練機中復合材料的用量達到了機體結構重量的20%;空客A380飛機中的復合材料用量占到了機體結構重量的25%;波音787中復合材料的用量占比達到50%，遠超過(guò)鋁所占的20%;空客A350XWB寬體客機中復合材料的用量占比也達到了50%以上;而美國X-45C無(wú)人戰斗機中復合材料的用量占比超過(guò)了90%。復合材料夾芯板由復合材料面板和芯材組成，是一種典型的復合材料結構。復合材料夾芯結構具有密度小、剛性大、結構穩定、減震性能好等特點(diǎn)。復合材料夾芯結構形式在現代飛機復合材料構件中的應用越來(lái)越受到重視。夾芯結構可實(shí)現多種不同性能特點(diǎn)的材料的復合，對結構設計和生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。
一、復合材料疏松產(chǎn)生的原因
疏松是復合材料缺陷的一種主要形式，是由大量的氣孔和孔隙導致的。其中，氣孔即復合材料中存在少量空氣或微小的氣泡，這些空氣和氣泡有在層間聚集的趨勢。氣孔通常由以下兩個(gè)因素造成：一是固化過(guò)程中的模具不匹配，導致沿構件表面的壓力分布不均，在樹(shù)脂無(wú)法充填的區域形成缺陷;二是高揮發(fā)性樹(shù)脂和短固化周期的聯(lián)合作用，如果揮發(fā)物不能在樹(shù)脂固化前釋放，就會(huì )形成氣孔，而有時(shí)孔隙也可以由樹(shù)脂吸濕形成�？紫妒枪腆w材料給定區域內空氣或氣體微泡的狀態(tài)，通常由于樹(shù)脂流動(dòng)不完全和局部過(guò)熱或樹(shù)脂污染引起。復合材料的材料力學(xué)特性隨孔隙含量的增大而降低。
二、產(chǎn)生疏松的復合材料結構
本文以碳纖維預浸料PVC(聚氯乙烯)泡沫夾芯結構為例，研究產(chǎn)生的復合材料疏松缺陷情況。研究表明，碳纖維預浸料PVC泡沫夾芯結構中的疏松缺陷產(chǎn)生在靠近模具一側的零件表面。
三、疏松產(chǎn)生的原因分析
按照以下步驟分析疏松缺陷產(chǎn)生的原因：(1)對模具進(jìn)行檢查、對材料的存放管理進(jìn)行檢查，排除模具和材料存放管理的問(wèn)題。(2)針對零件內外表面質(zhì)量的差異，考察固化過(guò)程中是否存在局部過(guò)熱問(wèn)題。以1.2℉/min～1.4℉/min的速率進(jìn)行加熱，結果表明，零件上、下表面僅在冷卻時(shí)出現最大8℉～10℉的溫度差，如圖1所示，不會(huì )造成零件質(zhì)量差異。(3)對固化過(guò)程中氣體產(chǎn)生的原因進(jìn)行考察。由于該碳纖維預浸料PVC泡沫夾芯結構由預浸料和泡沫組成，因此，預浸料中的樹(shù)脂可能會(huì )產(chǎn)生揮發(fā)物，泡沫也可能會(huì )產(chǎn)生揮發(fā)物，此外，表面缺膠可能會(huì )造成針孔。針對以上可能的原因，設計了一套試驗進(jìn)行排除、篩選，以達到有針對性地對產(chǎn)生氣體的原因進(jìn)行分析的目的。
四、試驗分析
4.1試驗設計設計如圖2所示的試驗件：
(1)在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加一層膠膜，以提高結構的樹(shù)脂含量。
(2)在零件與模具面之間增加一層脫模布，以促進(jìn)模具面的樹(shù)脂排氣。
(3)在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加一層快干膠，減少泡沫與預浸料的揮發(fā)物間的干擾。(4)在泡沫與靠近模具面的層壓板之間增加隔離膜，將泡沫與預浸料隔離，避免泡沫與預浸料的揮發(fā)物間的干擾。
4.2試驗結果按規劃生產(chǎn)試驗件，結果如圖3和圖4所示。試驗結果表明，原零件鋪層形式表面質(zhì)量很差;膠膜區域略有改善;脫模布區域基本沒(méi)有變化;快干膠區域略有改善;隔離膜區域表面質(zhì)量改善顯著(zhù)。
4.3試驗結果分析由試驗結果可以看出，增加零件表面的樹(shù)脂含量，零件表面質(zhì)量?jì)H略有改善，這說(shuō)明造成表面疏松缺陷的原因并不是缺膠。在靠模面增加脫模布改善零件表面排氣能力，并不能改善零件表面質(zhì)量。而在泡沫與層壓板之間增加隔離膜，將泡沫與層壓板的環(huán)境隔離后，零件表面質(zhì)量顯著(zhù)改善。這說(shuō)明，層壓板在成型過(guò)程中的排氣是沒(méi)有問(wèn)題的，而多余的氣體是泡沫排放的，而且不能夠完全排出。同時(shí)，快干膠區域也對零件表面質(zhì)量具有一定的改善作用，這是因為快干膠在固化初期固化，對泡沫與層壓板具有一定的隔絕效果。綜上所述，泡沫在零件成型過(guò)程中會(huì )排出氣體，泡沫排出的氣體不能通過(guò)表面層壓板排出。同時(shí)，零件采用的固化曲線(xiàn)為二級固化曲線(xiàn)(零件升溫到第一個(gè)平臺后保溫，使樹(shù)脂充分流動(dòng)浸潤排出樹(shù)脂中的氣體，然后升溫到第二平臺保溫固化)，說(shuō)明泡沫排氣的時(shí)間要長(cháng)于第一平臺保溫的時(shí)間，使得泡沫中的氣體沒(méi)有充分排出，或泡沫排氣的溫度高于第一平臺保溫的溫度，使氣體沒(méi)有及時(shí)排出，樹(shù)脂流動(dòng)性已經(jīng)降低，最終形成了氣泡。
五、泡沫夾芯結構零件表面疏松的解決
通過(guò)以上的分析發(fā)現，要想解決缺陷問(wèn)題，需要對零件的固化曲線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化。對以下兩種改善固化曲線(xiàn)的方式進(jìn)行試驗，試驗結果如下：第一種方式：將固化曲線(xiàn)中的第一平臺的保溫時(shí)間延長(cháng)，保證泡沫排出的氣體可以排出零件外。試驗結果表明，沒(méi)有明顯的改善。第二種方式：在固化曲線(xiàn)中第一平臺保溫溫度與第二平臺固化溫度之間增加一個(gè)中間溫度進(jìn)行保溫，試驗結果如圖5所示。試驗結果表明，同樣的試驗件，所有區域的表面質(zhì)量均顯著(zhù)改善。
六、結束語(yǔ)
復合材料是由多種材料復合而成的新型材料。復合材料結構設計也是新材料的設計過(guò)程，要充分考慮不同材料組合后帶來(lái)的強度和工藝問(wèn)題，不能單純地用組成復合材料中某一種材料的特性來(lái)定義復合材料結構的特性，應充分考慮每種材料的特性和組合后帶來(lái)的問(wèn)題。表面疏松是影響復合材料夾芯結構性能的一種常見(jiàn)缺陷，碳纖維預浸料PVC泡沫夾芯結構中的疏松缺陷主要是由于泡沫的排氣導致的。分析和試驗表明，在固化曲線(xiàn)中第一平臺保溫溫度與第二平臺固化溫度之間增加一個(gè)中間溫度進(jìn)行保溫，可顯著(zhù)改善零件表面的質(zhì)量，提高復合材料結構的性能。
參考文獻
1牛春勻,程小全,張紀奎.實(shí)用飛機復合材料結構設計與制造[M].北京:航空工業(yè)出版社,2010
2李仁鵬.復合材料結構飛機發(fā)動(dòng)機短艙防火設計與試驗驗證[J].廣東科技,2016,(2):39～40
3李仁鵬.淺談如何解決復合材料零件回彈問(wèn)題[J].廣東科技,2016,(8):43～44
4林再興.商用飛機復合材料構件損傷與失效分析[J].材料工程,2003,(S1):45～47
5齊共金,雷洪,耿榮生,等.國外航空復合材料無(wú)損檢測技術(shù)的新進(jìn)展[J].航空維修與工程,2008,(5):25～28.
【復合材料表面疏松缺陷研究】相關(guān)文章：
帶鋼表面缺陷智能檢測系統的設計與研究03-16
淺析跨文化交際的研究缺陷03-16
對復合材料飛機上靜電放電的研究03-07
淺談清水混凝土表面常見(jiàn)質(zhì)量缺陷及控制措施03-26
精神缺陷者締約能力比較研究03-28
復合材料結構課程設計教學(xué)研究03-28
碳纖維復合材料制備及電容性能研究論文11-13
玄武巖纖維增強木質(zhì)復合材料研究11-14