17基于复合材料产品结构质量及成型工艺验证方法的探讨-许漂(5)

544第二十八届（2012）全国直升机年会论文基于复合材料产品结构、质量及成型工艺验证方法的探讨许漂（昌河飞机工业集团有限责任公司，景德镇，333002）摘要：通过分析当前国内复合材料产品结构、质量稳定性验证方法的不足，在此基础上提出了共固化、二次胶接复合材料制件的破坏性结构验证方法，对于考核验证复合材料产品结构、质量及成型工艺的稳定性和可靠性具有重要参考价值。关键词：复合材料;产品结构验证;质量考核1概述近些年来，复合材料制件在直升机主承力结构中的应用比例不断提高，并且随着对直升机安全性要求的不断提高，复合材料产品质量的提高和控制也变得尤为重要。因此，如何对复合材料产品结构的完整性、产品质量进行综合考核验证，成为直升机复合材料发展急需解决且意义重大的一项问题。特别是直升机中的一些关键、复杂的结构，有必要对制造的产品进行结构完整性验证，同时对其成型工艺的有效性进行考核验证。我国直升机的研制及制造相比于国外起步较晚，在产品的结构验证方面缺少相关经验，影响了产品质量的可靠性评估。当前，国内普遍应用的产品质量控制方法主要是：(a)产品的无损检测，如超声波检测、尺寸检查等；(b)阶段产品的随炉件制造和力学试验；以上验证方法的不足在于：仅无损检测不能预测产品结构的力学性能；而随炉件的考核方法，随炉件在固化设备中的位置、铺层结构、成型工装均与正式产品结构存在差异，以随炉件来代表真实产品的结构缺乏一定的严谨性，以随炉件的力学试验结果作为产品质量的验收依据、考核产品结构的稳定性也是不充分的。本文在复合材料制件传统的质量检测方法基础上，提出了复合材料产品（包括共固化和二次胶接制件）的破坏性结构验证方法，对成型工艺和产品质量的稳定性进行综合评估和验证，对于提高和保证复合材料产品的质量具有重要的意义和推广应用价值。2共固化制件的破坏性结构验证方法美国FAA要求飞机结构中的关键复合材料部件必须进行破坏性试验，对产品质量和制造工艺进行考核和监控，依据部件的复杂程度与已有经验决定破坏性试验的频率。破坏性试验也适用于无损检测不能充分检测的区域、对产品的结构形式或制造工艺的工作经验水平比较低的情况。该方法对国内机型复材零件的质量控制和产品结构验证具有较好的借鉴意义。破坏性试验可通过以下几种方式进行实施：(1)关键区域、细节区域的检验：可通过显微照相等方式；(2)铺层数量、顺序和铺层位置的复核；(3)固化后层压板的物理性能测试；(4)按部件的关键失效模式进行力学试验。2.1固化后制件的物理性能检测2.1.1玻璃化转变温度对高聚物而言，玻璃化温度是高聚物从玻璃态转变为高弹态的温度。玻璃化转变温度（Tg）对545于表征材料的耐热性能具有重要意义，是复合材料成型质量控制及工艺稳定性考核的一项重要手段。在玻璃化转变温度附近，热固性树脂的许多物理特性，如比热容、热膨胀系数、力学模量等都发生显著变化，所以可用多种热分析技术测量玻璃化转变温度。(1)试验方法的选择差示扫描量热法（DSC）和动态热机械分析（DMA）是Tg测试常用的两种方法。DSC是根据热效应，如比热容的变化进行测量；DMA则是用于测定材料与温度和频率有关的弹性行为，通过弹性模量等的变化进行检测。两种分析方法在测定Tg时有不同的灵敏度。因发生玻璃化转变时比热容变化不及力学模量变化明显，因此DMA用以检测Tg比DSC要灵敏1000倍。在某些时候，玻璃态和橡胶态的热容差别不大，或在基线不平的情况下，DSC曲线的台阶变化不明显，Tg便不能通过DSC检测出来。表1DSC与DMA在测定玻璃化转变时的灵敏度物理性能玻璃化转变时的变化检测技术比热容5到30%DSC力学模量1到3个数量级DMA（2）复合材料固化参数对Tg的影响在某种程度上说，玻璃化转变温度反应了树脂的固化程度。为考核层合板是否固化完全，就可以通过Tg测试的方法实现。反之，固化程度取决于固化工艺参数的控制，通过对Tg测试结果的分析，继而对固化参数进行调整，就可以使复合材料的固化程度达到相应指标要求，从而达到质量控制的目的。下图1和图2分别为S92一复合材料零件在177±5下固化150min与固化210min的Tg测试结果比较，贮能模量变化台阶处的切线交点即为Tg。一般情况下，要求复合材料固化后的Tg要比固化温度高约10度。由此可判断，固化时间150min条件下的Tg不能满足要求，而需将固化时间延长至210min，方可保证制件成型固化质量。因此，该分析方法可有效的对复合材料成型工艺及制件质量的稳定性作出判断，具有很好的推广应用价值。图1在177±5下固化150min的Tg546图2在177±5下固化210min的Tg2.1.2纤维体积含量对于固化后的层压板制件，纤维体积含量（Vf）对其力学性能有重要的影响。因此，固化后制件的纤维体积含量及孔隙率的检测和控制也尤为重要。纤维体积含量的测量方法有GB3366以及ASTMD3171。相比于GB3366，ASTMD3171中的检测方法更为方便易行，该标准中的检测方法是采用物理或化学的方法将树脂基体去除掉，通过检测剩余增强体含量来计算纤维的体积含量和气孔率。ASTMD3171中主要有树脂灼烧以及酸洗的方法去除树脂，经前期试验摸索发现，高温下树脂灼烧的方法会造成纤维含量的损失，损失重量百分比约为2%，造成Vf检测结果的误差；而酸洗的方法，特别是采用硝酸溶解树脂，则能精确的测算Vf(%)和Void(%)，与国外相关检测结果一致。其计算公式如下：纤维体积含量：Vf(%)=(Mf/Mi)×100×ρc/ρf;树脂体积含量：Vr(%)=(Mi–Mf)/Mi×100×ρc/ρr;气孔体积百分比：Vv(%)=100-（Vf+Vr）Mf—纤维重量；Mi—试样初始重量；ρc—固化后试样密度；ρf—纤维密度；ρr—树脂密度固化后层板的纤维体积含量主要取决于原材料—预浸料的树脂含量以及固化工艺过程和参数。因此，Vf(%)的控制方法需着手于预浸料树脂含量以及固化时的升温速率、加压点、成型压力等工艺参数的控制和调整，也可采用吸胶的工艺方法提高固化后的Vf(%)，最终得到满足性能要求的复合材料产品。2.2产品结构检查2.2.1关键细节区域的显微照相产品进行破坏性试验时，切割分解后的试片除进行目视检查外，对成型及质量控制的关键细节区域进行微观结构检查也是一项重要的检查内容。例如，对复合材料制件成型时容易架桥的拐角区域、蜂窝结构向层压板结构过渡的区域等内部结构的缺陷（孔洞、分层等）检查，能够较为直观的将产品结构内部缺陷反映出来。下图3为S92承扭盒零件分解后一拐角区域的显微照片，可以看出，该区域未发现分层/孔洞及脱粘现象，层压质量良好。547图3关键结构区域显微照片示例2.2.2铺层核查为检查实际零件产品的铺层位置及铺层数、铺层方向是否符合图纸和相关工艺文件要求，可以通过对固化后零件的指定区域进行铺层核查的方式。具体操作方法为：将指定区域的层合板试样在马弗炉中烘烤，温度控制在能使树脂燃烧的温度（例如450℃），对燃烧后的碳布铺层逐层剥离和核查。下图4所示为S92承扭盒零件固化后某区域灼烧并剥离后的铺层情况。图4铺层核查示意图2.3力学性能测试按照零部件的关键失效模式进行力学项目试验也是对产品结构稳定性和产品质量验证的一项有力措施。根据复合材料蜂窝夹层结构、层压结构不同的结构形式及受力、失效模式，确定相应的试验项目。常用的结构验证试验项目及推荐使用的测试标准如下表2，测试需用的试样在复合材料产品上制取。548表2力学试验项目表类别测试项目测试标准试样尺寸测试数量蜂窝夹层结构平面拉伸强度ASTMC29750mm×50mm3～6纵向弯曲强度ASTMC393200mm×75mm3～6层压结构弯曲强度ASTMD790,76.2mm×12.7mm3～6层间剪切强度ASTMD234425.4mm×6.35mm5～63二次胶接结构的验证方法3.1首件产品的破坏分解试验为考核验证胶接结构的完整性，首件产品的破坏分解试验可以作为一项重要的验证手段。分解后的试段除了进行断面胶接质量的目视检查外，还可通过采取对产品剥离破坏的方式，分析判断胶接贴合面积，对胶接结构的有效性以及工装的适用性进行鉴定。西科斯基规定了符合要求的胶接效果为：对于非夹层结构，在胶接面区域的边缘3mm胶接范围内，胶接面完全贴合的面积不少于95%；剩余内部胶接面完全贴合的面积应不少于80%。夹层结构的理想胶接贴和面积应为100%。除了通过胶接表面贴和面积判断胶接效果外，波音的工艺文件还明确了采取检验膜试验结合产品破坏性试验的方法，通过核查检验膜的表面状态，结合对应产品结构区域的剥离分解试验，检查胶接区域的胶接质量，有效的促进和保证胶接结构的完整性。3.2预固化蜂窝夹层结构力学性能试验对于预固化蜂窝夹层结构制件，除了进行破坏剥离试验验证胶接效果之外，辅之以结构力学性能考核的方法，则更能对胶接结构的稳定性做出可靠性判断。参考国外相关文件规定，一般采取实施的力学试验项目为：平面拉伸强度（ASTMC297）、横向/纵向弯曲剪切强度（ASTMC393）。4结论直升机结构中复杂、关键的复合材料零部件，其结构的稳定性及成型质量的考核至关重要，在传统的无损检测、随炉件验证考核的基础上，应用周期性的破坏性试验验证方法，可以有效的对产品结构、质量、成型工艺的稳定性和可靠性作出综合性判断，对于提高和控制复合材料产品质量有重要意义。(1)共固化复合材料制件可通过固化后产品的玻璃化转变温度、纤维体积含量和孔隙率的测量等物理性能检测手段、显微结构检查以及产品试样的力学性能测试手段，对产品结构及成型质量的稳定性进行评估。(2)二次胶接固化复合材料制件可通过产品胶接面的剥离分解破坏性试验，以及产品试样的力学性能试验等方法，对胶接结构的完整性、胶接质量稳定性进行验证核查，为胶接制件的合格验收提供保障。参考文献[1]RudolfRiesen，陆立明.热固性树脂.东华大学出版社，2009