连续芳纶/环氧复合材料双曲率波纹芯材成型工艺研究

何可馨，苏震宇，周 翔，宋克尧

（1.中国航空制造技术研究院复材中心，北京101300；2.中航复合材料有限责任公司，北京101300；3.上海交通大学，上海200240）

复合材料以比强度、比刚度高[1]、可设计性强等特点，已在许多重要的工程结构中得到广泛应用。复合材料芯材一直是复合材料夹层结构研究的重要领域。传统芯材种类有泡沫[2-3]、蜂窝[4-5]等。作为新型芯材，复合材料等距折叠结构，即折叠芯材，是一种用于轻质夹层结构，使结构具有比强度高、比刚度大和良好的吸能性等特点，有望取代传统蜂窝夹层结构作为航空航天器的主承力结构材料。折叠芯材一般用较厚、密度较小的材料，采用折纸方法由平面薄片材料折叠得到，大多为可展开为平面的单曲率芯材[6-7]，而以芳纶预浸料为原始材料具有双曲率曲面的波纹型折叠芯材的相关连续制造研究国内外鲜少有公开报道。

1 实验部分

1.1 原材料

044B/BA9918织物预浸料：含胶量（50±3）%，单层厚度为（0.18±0.02）mm，由中航复合材料有限责任公司生产。

1.2 结构介绍

所用成型工装如图1所示，尺寸为245 mm×218 mm。所研制波纹芯材纵向波峰至波谷高度差15 mm，一个横向波纹周期为40 mm，铺层为［（0/90）］s。

图1 成型工装

1.3 固化工艺

固化工艺：室温下抽真空至-0.095 MPa以下，加压至（0.6±0.025）MPa后卸真空至0 MPa，通大气，然后升温至（180±5）℃，保温3 h，带压冷却至模具最高温度70℃以下出罐。升、降温速率小于等于1.5℃/min。

2 成型工艺难点及解决措施

2.1 成型工艺难点

双曲率波纹型折叠芯材为比较新颖的一种设计，为了强度需求不允许预浸料拼接或搭接，不允许剪口，只能用整张预浸料进行连续制造。制件为双曲率结构，且波纹周期小，周期数量多，波峰至波谷高度差大，R角≈3 mm。此结构展开并非平面，对于延展性较好的芳纶预浸料而言，做到不缺料、不多料、不架桥也是非常困难的。多料、缺料情况如图2所示，如果沿波谷波纹铺叠，波峰多料，两侧缺料，导致无法继续铺叠下一个周期的波纹。若沿波峰波纹铺叠，波谷处压实容易出现架桥，如图3所示。

图2 发生多料、缺料情况的示意图

图3 发生架桥情况的示意图

2.2 解决措施一：预浸料预折

为了不发生缺料或多料的情况，用数控裁床在预浸料上绘制铺叠曲线，并沿铺叠曲线铺叠，试验发现在铺叠过程中对预浸料进行即时变形处理，依然发生偏离铺叠曲线的问题，原因在于该结构展开并非平面，需要利用预浸料延展性进行变形处理，即时变形操作，导致局部变形过大或过小，分布不均匀，局部累积出的大的变形量，预浸料的延展性不够。经分析，采用预浸料预折方法，对预浸料进行预变形，使变形量均匀分布至预浸料布的表面，如图4所示。

图4 芳纶预浸料沿铺叠线预折

2.3 解决措施二：预压实方案

复材制件预压实动力为抽真空操作。本文对此结构进行了3种预压实方案试验对比：①采用真空袋压实。真空袋封装制件抽真空压实为复材制造中最为常见的压实方式。然而此结构展开并非平面结构，而真空袋基本是没有延展性的，波谷阴角R角非常小，且高度回旋，用真空袋抽真空压实时，堆叠真空袋已有相当多的褶皱，但大多数波谷折叠周期存在真空袋架桥，无法压实预浸料。②用硫化橡胶作为压实模。硫化橡胶作为复材压力传递模是最常见的一种软模制件，然而对于此制件，软模与波谷的配合制型难度非常大，基本无法做到有效配合，真空压力无法传导至制件波谷架桥区。③用其自身制件作为硬模压实模。试验发现，第①种方案研制的制件，如图5所示，虽然成型质量差，但波谷贴模面架桥已完全被树脂填满，而非贴模面为真空袋可以到达的传递真空压力的区域。施加真空压力，可以作为配合精度很高的硬模使用。用其自身制件作为硬模压实模可以完美地传导真空压力给制件。有效地解决了波纹型折叠芯材的架桥问题。3种压实方案成型制件的表面质量对比如表1所示。

图5 产生架桥的区域成型表面质量，展示面为贴模面

表1 3种压实方案成型制件的表面质量

3 结论

通过数控裁床划出铺叠定位线，预折预浸料，利用自身制件作为硬模压实模，成功克服了波纹型折叠芯材制备过程中缺料、多料、架桥等问题，满足了设计要求。然而，这种不允许预浸料拼接或搭接，不允许剪口，只能用整张预浸料进行连续制造的方法，待折材料不可避免地会产生面内变形。因此，连续制造方法一般只适用于具有一定延展性的材料。