李树健 湛利华 周源琦 蒲永伟
（1 湖南科技大学机电工程学院，湘潭 411201）
（2 中南大学机电学院，长沙 410081）
（3 光启技术股份有限公司，深圳 518000）
0 引言
先进树脂基复合材料具有比强度和比模量高、可设计性强等显着优势，广泛应用于航空航天、兵工国防等领域结构件的成形制造［1－5］。预制体的铺放常采用预浸料铺贴工艺在模具上进行手工或自动铺放，然后根据工艺要求将预制体进行封装、抽真空，按设定工艺曲线进行升温固化［6－8］。在铺放过程中，由于手工操作误差或机器控制不当易产生异物、气泡、纤维劈裂、纤维皱曲等铺放缺陷［9－11］。纤维皱曲是铺放过程中一类常见的典型铺放缺陷，一般由纤维架桥或真空袋不平整等原因导致［12－13］。这些铺放缺陷被带入到后续固化阶段，会随其原始尺寸、形态以及固化工艺条件的不同，在固化过程中产生复杂的演变状态。如果铺放缺陷不能消除或弱化，易使构件内部最终形成固化缺陷，并严重影响构件的力学性能和服役可靠性。
本文针对航空航天复合材料构件常用的预浸料－热压罐成形工艺，以纤维皱曲为典型常见铺放缺陷，研究复合材料在预浸料－热压罐成形工艺过程中铺放缺陷的演变规律，并对其固化后成形质量及力学性能进行对比分析，为优化先进树脂基复合材料成形工艺研究提供理论及实验研究依据。
1 实验
1.1 材料选择及缺陷设置
实验材料为X850／T800单向预浸料，由Cytec公司生产，其纤维体积分数为67.5%，单层预浸料厚度为0.188 mm。真空袋、脱模布、隔离膜和透气毡等辅助材料全部由Airtech公司生产。
为研究固化过程中铺放缺陷的演变规律，本文在铺放过程中人为设置了一系列纤维皱曲缺陷。实验共分4组，每组采用3种不同长度的预浸料（70、110、150 mm），宽15 mm，单向铺层，共6层。所有复合材料试片均设置相同的人工缺陷来模拟铺层中产生的纤维皱曲，保证皱曲程度一致，皱曲宽度均为β＝20 mm，其高度均为h＝5 mm，宽高比为4∶1，皱曲度示意如图1所示。每组预浸料试片均用挡胶条限制住缺陷一侧位移，缺陷中心与挡胶条的水平距离均为40 mm，如图2所示。
图1 皱曲缺陷尺寸Fig.1 Dimensions of wrinkling defects
图2 缺陷布置示意图Fig.2 Sketch map of defect arrangement
4组试片经真空袋封装后分别进行热压罐固化，在室温下抽真空，罐内温度加热至180 min，升温速率1.5℃ ／min，保温 150 min，随后以 1℃ ／min 的速度降温，在热压罐运行时开始加压，并在降温至60℃时卸压。由于固化过程中固化压力对材料缺陷的影响从直观上表征较为明显，因此，实验采用 0.0、0.2、0.4、0.6 MPa压力条件下来进行对比。通过外观检查、超声相控阵无损检测、金相显微分析等手段，来研究预浸料铺放缺陷形态在固化过程中的演变规律。
1.2 微观结构检测
采用Olympus NDT公司推出的便携式、模块化相控阵设备（型号：Omni Scan MX2）进行复合材料铺放缺陷无损探伤。采用零度线性聚焦法则，聚焦深度为2 mm，将阵元数量设置为4，从第1个晶片开始响应到第64个结束，电子扫描步距为1，楔块与复合材料层合板之间采用水作为耦合剂。在A扫描显示中将闸门宽度设置在表面波和底波之间，编码器设置分辨率为8.4步／mm。最后，通过编码器将由闸门采集到的信号转换为C扫描图像。
金相缺陷检测采用国家标准GB／T3365—2008，将试样进行镶嵌、磨平、抛光和超声清洗后，利用光学数码显微镜（型号：奥林巴斯DSX500）和自带的金相图像分析系统，进行试样微观缺陷分析。
1.3 力学性能测试
分别对4组固化后的复合材料试片进行拉伸性能测试，拉伸强度及拉伸弹性模量测试按GB1447—2005规定，在CMT5105拉力试验机（珠海三思泰捷公司制造）上进行测定。试片由夹具夹持固定后，夹头以0.5 mm／min的速率开始拉伸直至试片发生断裂，记录下此时的最大拉伸载荷，并根据式（1）、式（2）分别进行拉伸强度及模量计算。
式中，Fmax为屈服载荷、破坏载荷或最大载荷，b为试样宽度，d为试样厚度。
式中，Et为拉伸弹性模量，Δp为载荷－变形曲线上初始线段的载荷增量。ΔL为与Δp对应的标距L内的变形增量，L为测量标距。
2 结果及讨论
2.1 不同固化压力条件下的铺放缺陷演变规律
图3展示的是4组试片固化后的外观形貌。可以看出，在每组试验中，原长度为70 mm的试片，其表面质量均优于本组中其他长度的复合材料试片。随试片长度增加，可以发现，110 mm试片的缺陷宽度和皱曲高度均小于150 mm的试片。此外，当固化压力分别0.4和0.6 MPa时，70 mm长的试片固化后的表面相对较为平整，缺陷的改善效果较好。
为进一步表征不同固化压力条件下铺放缺陷形态的演变，对各组实验试片固化前后长度进行测量和记录，考虑到在铺放阶段中纤维皱曲缺陷的产生，其纤维方向的长度势必减小。因此，本文采用纤维整体滑移量来表示试件固化前后长度差，进而可表征铺放缺陷经固化后的演变。纤维整体滑移量与固化压力关系如图4所示。
图3 不同固化压力下试片的外观形貌Fig.3 Appearance of specimen under different curing pressure
图4 纤维滑移量与固化压力的关系Fig.4 Relationship between fiber slippage and curing pressure
从图4可以明显观察到，70 mm长的试片在固化后的纤维滑移量高于其他两组，且在固化压力0.4 MPa时达到最大。通过实际测量也发现，原长为70 mm的试片在0.4 MPa压力下固化后基本恢复到原长，改善效果相对较好。下面结合超声相控阵扫描结果和金相显微分析，来进一步研究铺放缺陷的演变行为。
图5给出了4组试片在不同固化压力下的超声B扫描图片，可以看到，当固化压力低于0.2 MPa时，由于试片中气泡无法完全排除而导致较多孔隙产生，且预浸料铺层将存在严重分层，此时会导致超声波能量衰减而接收不到底波，从而使超声B扫描图像整条底波微弱甚至缺失。当固化压力高于0.2 MPa时，如0.4和0.6 MPa，70 mm长的试片具有完整的底波，表明其皱曲缺陷在经固化后得到有效弱化，成形质量提高，而其他试片底波都存在不同程度的缺失。这是因为：这些试片中的纤维皱曲缺陷的存在，导致材料内部结构发生变化，超声波在经皱曲区域会发生不同程度的折射和散射，导致回波严重衰减或消失，从而探头无法接收。同时可以看出，每组图像中150 mm长度试片底波的断开宽度（即皱曲缺陷区域在长度方向上的宽度），均大于中等长度（110 mm）的试片，这也与外观形貌观测及纤维整体滑移量的测量结果相一致。并且，随试片长度的增加，缺陷出现的程度（即皱曲区宽度的增加程度）也随之增加。
图5 不同固化压力下的超声B扫描图Fig.5 Ultrasonic B－scan under different curing pressures
复合材料试片铺放缺陷区域的显微金相形貌如图6所示。首先，从工艺压力角度来看，以70 mm长的试片为例，当固化压力较低时（如0和0.2 MPa），铺放缺陷设定区域的皱曲缺陷在固化过程中的消除程度较小，纤维皱曲依旧明显，且在预浸料层间出现一定的树脂积聚现象，如图6（a）（b）所示。这主要与固化压力较小，致使固化阶段前期树脂流动驱动力较弱，树脂流动性较差有关。当固化压力增加到0
