基于国产T300级碳纤维复合材料C型肋结构成型工艺

基于国产T300级碳纤维复合材料C型肋结构成型工艺

乔飞  李震   张瑞琪 

中航西安飞机工业集团股份有限公司

710089

摘 要：以C肋为研究对象，利用国内生产的T300型碳纤维预浸料，解决C肋成形中 R角减薄和型面形状难以精确调控的难题，进行一系列工艺方案的设计与优化，通过构件的装配形式与成形模具的固化布局，使R筋的测量结果从4.17%提升至100%。通过对模具的回弹角度进行了优化，得到了均匀铺设和均匀铺设两种情况下的试件的型面形状。通过一套有效的、经济的设计方案，有效地克服了成形工艺中R角减薄和型面形状难以精确调控的难题，为我国高性能复合材料的研制开发奠定基础。

关键词：国产复合材料；Ｃ型肋结构；Ｒ角厚度减薄；外形轮廓

肋形结构是箱形件中应用最为广泛的一种组合件，其尺寸与箱形件、梁形件相比具有更大的体积，因此其成形的好坏关系到整个构件能否成功交货。其中，C型肋最为典型，它的壁厚和外形面的好坏，将会对箱节的安装和施工产生很大的影响。本项目拟以C型肋为研究对象，利用国内生产的T300型碳纤维预浸料，通过对C型肋结构成形中R角减薄和型面形状调控等关键技术的研究，实现C型肋的快速、经济、有效地解决成形难题，为我国高性能 C型肋的研制与开发奠定基础。

1.实验部分

1.1C型肋结构介绍

变断面C型肋采用的是碳纤维层压结构，内、外层均采用 PTFE膜，内部和外部均采用国内生产的T300单向带预浸料，+45°和-45°各占50%；C形加强筋的长度大约810毫米，加强筋的高度18到188毫米，缘条的宽度是27毫米，并且理论上的厚度是2.15毫米，见图1。以Q235普通钢材为模具，通过人工铺条+热合桶的方式进行了C型肋的成形，温度为180℃/120 min、0 31MPa。

图 １ C型肋结构示意图

1.2工艺试验方案

（1）R角厚度控制

C型肋的成形因使用凸模具而得到了良好的R角成形结果。然而，由于国内原料具有良好的流动性能，使得 R角部壁厚变小，最大误差达到-18%，无法达到施工验收标准的±12%，对组装质量造成了很大的负面影响。针对C型肋R角减薄的问题，拟采用包覆结构的优化与模具的凝固布局两种途径进行研究。详细计划如下：第一，对包封形式进行了优化：在C型肋的有效面积内，只加一张可透气的毛毡，其余地方铺4个相同等级的透气毛毡。第二，进行模具的定型排样方式的优化：模具薄膜面向下，模具周围设置挡边，以避免与热合槽地面的真空包发生碰撞。第三，封模式的优化+模具的固型布局：在C型肋的净度区内只铺一张可透气的薄毡，其余地区则铺4个相同等级的透气毛毡。模具的表面向下，模具的周围加一个缓冲块，以避免薄膜表面与热转印槽地面相接触。

（2）外形轮廓控制

在固化成形中，因其各向异性、结构不对称、树脂固化收缩、非均匀温度场、非均匀压力场和模具等诸多因素的共同作用，导致其成形后的成形变形，不但会影响产品的外形与尺寸精度，还会引起组装间隙或相互干扰，甚至导致产品报废。本文参照国外同类产品T300单筋预浸料制作的C型肋模具，其回弹角度为1.3°，较大端缘为0.3°。C型肋的单层预浸料铺设14层，由于其受力状况，目前只有+45度及-45度铺层，难以兼顾均匀性与对称性。研究了等厚 C型肋均匀铺装与均匀铺装时的弹性模量，采用均匀衡铺装[45/-45/45/-45/-45/-45/-45/45/-45/45/-45/45]。在此基础上，根据均匀铺设与对称铺设方式制作试件，利用数字测试装置测试其表面形貌，并将两种铺设试件的误差进行比较。

2.结果与讨论

2.1Ｒ 角厚度控制

根据Ｒ角厚度控制所示方法及表格1制作 C型肋，即3个N4透风毯+向上升槽的薄膜，制作4个试验件，用磁性测厚仪测定4个试件的 R角进行厚度测量，结果见表1。

表 1 C型肋R角厚度试验件结果对比

研究发现，通过对A1试件进行参数调整后，其 R角厚通过点所占百分比达到70。83%。通过在A0、A1试件 R角区切割采样，利用光镜观察，发现A0试件 R角区纤维层的平均厚度比A1试件要小，因此，A0试件 R角区的纤维层间距比较密集，树脂含量也比较少；而在A1试件中， R角区的纤维层间距比较松散，且树脂的质量分数也比较高。这表明，在相同的养护工艺条件下，采用较细的透湿材料可以减小 R角区的压强，进而减小 R角区的树脂流动性，减轻 R角减薄问题。

只对模具的凝固布局进行了优化，使已有的A2试件 R角厚通过点的比率上升到50%，其原因可能是模具面向下，沿条方向的树脂受其自身的引力影响，向 R角区流动，从而减轻了 R角变薄的问题。为了证实这一假设，将A0与A2试件的 R角度区切割采样，并采用光学显微镜获取。研究发现A0试件 R角区域纤维层的平均厚度比A2试件要小，从而说明A0试件在 R角区内的纤维层分布较为密集，且具有很高的树脂含量；但A2试件在 R角区内的纤维层间距比较松散，且具有较高的树脂含量。以上结果表明，组合工艺及模具的凝固布局都有助于提高 R角减薄程度，但单一方法的改进仍然存在局限性，难以达到实际应用需求，需要两者联合使用才能达到最好的效果。

2.2外形轮廓控制

根据外形轮廓控制所描述的方法及表2制作 C型肋，制作两个试件，利用三坐标测量器测定两个试件的表面形貌，得到测量结果如表2和图1至2所示，负值为凸理论曲线，正值为凹理论曲线。

表 2 C型肋不同铺层试验件结果对比

图1 B1试验件外形轮廓实测示意图

图2 B2试验件外形轮廓实测示意图

研究发现，均匀铺层B1试件的外形轮廓测量为-0.671~0 412 mm，而对称铺层的B2试件在-0.532~0.195 mm，两种铺层的试件都能满足工程要求±0.75 mm，其中对称铺层试验件的外形轮廓更贴近理论型面。

结束语：

综上所述，以C型肋为研究对象，利用国内生产的T300型碳纤维预浸料，通过对C筋的成形方法和成形方法的研究，实现 C型肋成形中 R角薄化和型面形状难以精确调控的难题，实现C型肋的高效率、低耗地实现。

参考文献

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