复合材料双真空袋成型工艺研究_李斌太

第26卷　第3期2006年6月
航　空　材　料　学　报
J OU RNAL O F A ERONAUT ICAL MA TER I A LS
V o.l 26,N o .3June 2006
复合材料双真空袋成型工艺研究
李斌太,张宝艳,邢丽英,陈祥宝
(北京航空材料研究院,北京100095)
摘要:真空袋成型工艺是一项低成本复合材料制备技术,在此基础上对双真空袋(DB )成型工艺进行了研究,研究表明,采用DB 技术制备的复合材料具有较低的孔隙含量和较高的力学性能,因此能够提高真空袋成型复合材料制件的品质。

关键词:真空袋成型工艺;双真空袋(DB )成型工艺;孔隙;力学性能
中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2006)03-0222-04
收稿日期:2006-01-20;修订日期:2006-03-21
作者简介:李斌太(1974-),男,高级工程师,从事复合材料研究,(E -m a il )binta ili @sohu .co m 。

先进树脂基复合材料具有优异的性能,应用前景广阔,但是由于目前较多地采用热压罐成型工艺制备,存在成本较高、制件尺寸受限制等因素,因此复合材料工作者不断研究各种非热压罐成型工艺,
其中真空袋成型工艺由于具有灵活、简便、高效等特点得到广泛的应用。

真空袋成型工艺的主要设备是烘箱或其他能提供热源的加热空间,其组装方法一般与热压罐工艺类似。

对于热压罐成型工艺,由于工艺过程中施加较高的压力(通常为0.3～0.7M Pa ),大部分材料中的孔隙通过真空系统逸出或随着多余树脂的流出而排出,剩余的孔隙发生压缩、破碎并溶解在基体中,从而得到低孔隙含量的复合材料,特别是不会遗留下大尺寸的缺陷。

但是在真空袋成型工艺中,由于真空压力最多为一个大气压,孔隙和挥发分只能通过逸出的方式排出,因此与热压罐成型工艺相比,预浸料铺层中的孔隙和挥发分的处理是一个问题,所制备材料的孔隙率通常为3%或更高,而高孔隙含量会直接影响到复合材料的力学性能和耐湿热性能。

针对这一问题,主要存在两种技术路径,一种是从树脂体系入手,调节树脂的流变特性,使孔隙和挥发分在预浸料凝胶前尽可能逸出;另一种途径就是通过工艺措施的改进,使预浸料中的孔隙和挥发分在制备过程中更容易排出,双真空袋(DB )成型工艺就是这种途径的有益尝试。

从上世纪80年代开始,美国N aval A irW arfare
C ente r 和NASA Lang ley Research Cen ter 就相继开展了多种树脂体系和多种形式的双真空袋成型工艺的研究
[1～4]
,双真空袋成型工艺就是在预浸料毛坯上
封两层真空袋,两层真空袋之间放置一导气工装,两
层均与真空系统连接,其原理就是在复合材料固化过程中,在预浸料处于B 阶段时,使预浸料铺层暴露在真空中但同时并不承受任何压实的作用力,从而促使预浸料毛坯中的孔隙和树脂中的挥发分能够很容易地逸出。

本工作将通过对双真空成型工艺的研究,对通常的真空袋成型工艺进行改进,以提高真空袋成型工艺制备的复合材料的品质。

1　试　验
采用LT -03/T700SC 复合材料体系,推荐工艺为:在室温抽真空,以每分钟2～3℃的速率升温至75℃,恒温7h ,然后以不大于0.5℃/m in 的速度冷却至40℃以下取出制件。

由于双真空袋工艺只是在一定阶段采用双真空的模式,该阶段的设置需要结合具体树脂体系的流变特性和凝胶特性来研究确定。

LT -03树脂体系的粘度-温度曲线(升温速率为2℃/m i n )如图1所示,树脂在30℃时具有较高的粘度,开始升温后粘度迅速下降,在约55℃时降至10Pa s ,然后一直到约90℃以前均处于一个低粘度区间。

试验过程中分别在高粘度区和低粘度区进行工艺设置如图2所示,分别在30℃,55℃,65℃和75℃设置双真空工艺平台,以考察工艺对树脂粘度的依赖性。

同时进行真空袋工艺的对比试验,然后根据分析测试结果来对工艺进行评价和优化。

第3期
复合材料双真空袋成型工艺研究图1　LT -03树脂的粘度-温度曲线
F ig .1　P l o t o f v iscosit y of LT -03vs .t emperature
at heati ng rate of 2℃/m in
通过测试复合材料的层间剪切强度来初步表征
工艺过程对复合材料力学性能的影响,测试标准采用JC /T 773-1982;通过超声C 扫描考察复合材料的内部质量,并结合光学显微镜来观察复合材料中孔隙含量和树脂对纤维的浸渍情况。

2　试验结果与分析
2.1　DB 工艺对层间剪切强度的影响
对几种工艺制备的复合材料测试厚度和重量,结果见表1。

可以认为DB -a ,DB -b 和DB -c 工艺均未对材料固化过程的流胶和压实产生显著影响;而DB -d 工艺由于设置的温度平台过高,恒温60m in 后粘度迅速增加,如图3所示,预浸料压实不充分,导致复合材料板材偏厚,因此未继续参与工艺的评价。

层间剪切强度的测试结果如图4所示,与普通真空
袋工艺相比,当在树脂固化加热过程中的高粘度区间设置DB 工艺平台时,复合材料的层间剪切强度无明显变化,而在55℃和65℃的低粘度区间设置DB 工艺平台后,二者的层间剪切强度分别由真空袋工艺的70.7MPa 大幅度提高至85M Pa 和83.5MPa ,因此可以初步认为DB 工艺的适当设置显著提高了LT -03/T 700SC 复合材料的力学性能。

图2　D B 工艺的设置
F i g .2　Sche m a tic draw ing o f different DB p rocess cure cy cle pro fil e s 表1　300mm ×300mm 的[0]16LT -03/T700SC 复合材料板材的重量和厚度
Table 1　M ass and t hickness of LT -03/T700SC composite plate w it h a size o f 300mm ×300mm
P rocess
M ass o f prepreg p lies /g
M ass of composite pla t e /g
Thickness of co m po site plate /m m
V acuum bag process
3092792.08DB -a 3072782.06DB -b 3082762.08DB -c 3092802.08DB -d
308
296
2.21
223
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第26卷
图3　75℃时LT -03树脂的粘度-时间曲线F i g .3　P lot o f visco sit y o f LT -03vs .ti m e at 75
℃
图4　DB 工艺对复合材料层间剪切强度的影响
(1—真空袋工艺;2—DB -a 工艺;3—D B -b 工艺;4—DB -c 工艺)
F ig .4　inter l am ina r s hear strength of differen t proce ss
m o l ded co m po sites
(1—vacuu m -bag ;2—DB -a p rocess ;3—DB -b process ;4—DB -cprocess )
2.2　复合材料板材质量的分析
图5为复合材料板材的超声C 扫描图像,可以发现超声C 扫描图像与复合材料的层间剪切强度
具有非常明显的对应关系,真空袋工艺和DB -a 工艺制备的板材中有一些程度不等的缺陷,分别对应层间剪切强度为70.7MPa 和71.5M Pa ,相比较而言,DB -b 工艺和DB -c 工艺制备的板材内部质量较好,层间剪切强度得到了显著提高。

这表明相应DB 工艺平台的设置,使材料的内部质量得到较大的改
进。

通过光学显微镜对复合材料的显微结构进行观察可了解材料中介于微观和宏观尺度之间的缺陷构成和分布状况,如图6所示,真空袋工艺和DB -a 工艺制备的板材中存在较多数量的孔隙,尤其是富树
脂区内的孔隙没有充分排除,而DB -b 和DB -c 工艺制备的板材中孔隙很少。

在通常的真空袋工艺制备的复合材料中,孔隙主要来源于树脂配制过程中裹入的空气、树脂中的挥发分或小分子副产物以及预浸料铺贴的操作过程中裹入预浸料片层之间的空气。

在铺贴中预压实操作和固化时抽真空虽然可以
抽走大部分的空气,但是由于预浸料通常具有一定粘性,预浸料片层会局部粘结在一起,而且真空对毛坯存在一个压实作用,在一定程度上封闭了孔隙排出的通道,并且使预浸料毛坯内部孔隙和毛坯外部的压力梯度降低,减小了孔隙运动的驱动力,因此毛坯中的部分孔隙难以排出而滞留在复合材料中构成缺陷。

图5　不同工艺制备复合材料的C 扫描图像
(a )真空袋工艺;(b )DB -a 工艺;(c )DB -b 工艺;(d )DB -c 工艺
F i g .5　C -Scan pho t og raphs o f vacuu m -bag and DB m olded co m posit e s
(a )vacuu m -bag pro ce ss ;(b )DB -a pro ce ss ;(c )D B -b proce ss ;(d )DB -c proce ss )
而在DB 工艺中,预浸料毛坯处于真空环境中且不存在压实力的作用,因此孔隙运动的驱动力始终不低于一个大气压,当温度升高时,压力梯度进一
步增加,有利于孔隙的排除,同时纤维束内孔隙的排
除也有利于树脂对纤维束的浸渍。

因此在树脂粘度较低时引入DB 工艺可以显著降低复合材料的孔隙含量,使得采用真空成型工艺制备的板材的质量能够达到接近于热压罐成型工艺的水平。

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第3期
复合材料双真空袋成型工艺研究图6　不同工艺制备复合材料的光学显微图像
(a )真空袋工艺;(b )DB -a 工艺;(c )DB -b 工艺;(d )DB -c 工艺
F i g .6　O pti ca l phtot m icrog raphs o f vacuu m -bag and DB m o l ded co m po sit e s
(a )vacuu m -bag pro ce ss ;(b )DB -a pro ce ss ;(c )D B -b proce ss ;(d )DB -c proce ss )
3　结　论
使用双真空袋成型工艺制备了LT -03/T 700SC 复合材料,并对该工艺进行了研究和优化,结果表明,与
常规真空袋成型工艺相比,双真空袋成型工艺有利于孔隙的排出,制备的复合材料孔隙含量较低,力学性能大幅度提高,复合材料的质量得到较大改进。

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(Be iji ng Institute of A e ronautica lM ateria ls ,Beijing 100095,Ch i na )
Ab strac t :V acuu m -bag process is a l ow -co stm ethod fo r fab ri ca ting composites .A doub l e -vacuu m -bag (DB )p rocess w as investiga t ed to i m p rove V acuum -bag process .A s evidenced by t he C -Scan and optica l pho to m icrog raphs ,low vo i d co m posite w ith h i gh mechanica l proper t y can be produced through double -vacuum -bag proce ssi ng technique .So the vacuu m -on l y doub l e -vacuu m -bag pro cess can i m -prove qua lit y o f co m po sites .
K ey word s :;vacuum -bag process ;double -vacuu m -bag (D B );vo id ;m echanical property
225。