E8粘性预浸料复合材料性能的影响

玻璃钢/复合材料

成型压力对自粘性预浸料复合材料性能的影响

赵鹏飞,赵景丽,何 颖

(西北工业大学第365研究所,西安

710072)

摘要:本文通过试验比较了ACG 公司以M T M 28为树脂基体的几种预浸料经热压罐固化成型与烘箱真空固化成型层压板或蜂窝夹层结构面板试样的力学性能,验证了该类预浸料适用于两种固化工艺条件的规范是适当的。

关键词:无人机飞机机体;复合材料;预浸料;压力;力学性能中图分类号:T B332 文献标识码:A 文章编号:

1003-0999(2010)04-0065-04

收稿日期:2009 07 09

作者简介:赵鹏飞(1962 ),男,研究员,主要从事小型无人机飞机研制工作。

1 概 述

玻璃钢/复合材料及其蜂窝夹层结构在小型无人机飞机结构设计中已经获得了广泛的应用,适合于各种复合材料结构形式的制造工艺方法也得到了充分的使用与发展

[1,9]

。

用于飞机复合材料构件制造的预浸料材料是依据设计要求、结构特点、制造工艺及成本控制的需要进行选择的,通常是按照材料制造商提供的技术资料或规范中规定的固化工艺条件进行固化。由于在小型无人机飞机机体结构设计中通常采用复合材料整体共固化设计技术,即在大面积以蜂窝夹层结构为主的构件结构中利用复合材料的可设计性将梁缘条、肋缘条等主体受力结构以及力的扩散结构均设计在制件上,形成一体化混合式承力结构[8,9]

,所以

在选择无人机飞机结构用预浸料时需满足采用共固

化工艺制造混合结构构件的需要。

就中温固化的复合材料而言,在温度、压力、加压点、真空度以及升温速率、降温速率等复合材料成型工艺参数中,温度、真空度和升、降温速率一般都是被明确限定的,那么选择在加温的开始就可以加压且能在0.1MPa 即真空压力下固化的树脂基体材料无疑能大幅度地降低制造成本。英国ACG 公司生产的以MTM 28为树脂基体的预浸料就具有这样的性质,不但是一种应用广泛的结构材料,对蜂窝具有良好的粘接性,而且可以采用真空袋、热压罐或模压成型工艺进行固化成型。那么,当使用这类预浸料以共固化工艺制造无人机混合结构复合材料构件,并且受使用容重较低的蜂窝对成型过程加压压力大小的限制时,究竟采用多大的固化成型压力才能获得满足设计性能要求的制件是有必要通过实验

来确定的。

2 实验部分

为研究复合材料层合板和蜂窝夹层结构面板在固化过程中成型压力大小对性能的影响,针对某小型无人机飞机机体结构使用的预浸料材料及其所适用的真空袋与热压罐成型工艺,制备了不同压力条件下的试件。蜂窝夹层结构面板试件是通过模拟共固化成型的实际状态制备的。2 1 材 料

实验用预浸料为英国ACG (Advanced Co m pos ites Group)公司生产,材料特征见表1。

表1 预浸料材料特征

名 称

牌 号增强材料

树脂基体含胶量/%

重量/g m -2碳单向带

M T M 28 1/

T700SC 125 33%R W T700SC 增韧环氧树脂33

125

碳布预浸料

M TM 28/

CF0304 42%R W

CF0304增韧环氧树脂42199

玻璃布预浸料

M TM 28/GF0300 40%R W

GF0300增韧环氧树脂

40105

2 2 试件制备

在平板模具上进行单向带层合板和蜂窝夹层结构面板试件的铺层,每铺放2~3层后抽真空预压实一次,不同试板的制备状态见表2和表3。制备类似共固化成型受压状态的复合材料/蜂窝夹层结构面板(靠模具或模板一侧的面板)的试板的方法与文献[9]相同。

试板的固化成型在进口美国TEC 公司的3

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2010年第4期

成型压力对自粘性预浸料复合材料性能的影响

6m热压罐或国产带抽真空设施的烘箱中进行,固化

条件为:在整个循环过程中加980mbar真空压力和

一定大小的罐压,以3!/m in的速率升温至120!

(+5/-0!)保持1h,并在保持加压条件下以3!/

m in的速率降温至60!时卸压后出罐。为了比较,

也制备了未制真空袋(即不施加真空压力和罐压)

在热压罐中固化的试板。在烘箱中抽真空成型的试

板的固化温度条件与在热压罐中制备试板时相同。

表2 面板试件制备状态

试件编号预浸料层数试板厚度固化条件

CW A H G W A H

碳布预浸料

玻璃布预浸料

10

20

2.02

1 93

按共固化工艺热压罐固

化成型,罐压为0.25M Pa,

真空压力为980m bar。

CW V H G W V H

碳布预浸料

玻璃布预浸料

10

20

2.06

1.99

按共固化工艺真空固

化成型,真空压力为

980mbar。

表3 层压板试件制备状态

试件编号预浸料层数试板厚度固化条件

CUD A(P1)碳单向带16 2.28

热压罐中固化成型,但未制真

空袋。

CUD A(P2)碳单向带16 2.22

热压罐固化成型,

罐压为0M Pa,真

空压力为980mb ar。

CUD A(P3)碳单向带16 2.03

热压罐固化成

型,罐压为0.5M Pa,

真空压力为980mb ar。

CW A G W A

碳布预浸料

玻璃布预浸料

10

20

2.34

2.09

热压罐固化成型,

罐压为0.25M Pa,真

空压力为980mb ar。

CW V G W V

碳布预浸料

玻璃布预浸料

10

20

2.33

2.31

在烘箱中抽真空

固化成型,真空压

力为980mb ar。

C W A(P0) G W A(P0)

碳布预浸料

玻璃布预浸料

10

20

2.94

2.26

在热压罐中固化成

型,但未制真空袋。

试件的加工与控制也与文献[9]中所述的相同。

2 3 性能测试

复合材料层压板和共固化复合材料/蜂窝夹层结构面板的力学性能测试按标准进行,即拉伸性能按GB/T3354 99、压缩性能按GB/T5258 95、弯曲性能按GB/T3356 99、剪切性能按J C/T773 82(96)。具体性能测试结果见表4~表6。3 结果与分析

表4给出了分别采用热压罐成型和烘箱真空成型方法制备的蜂窝夹层结构上面板的力学性能,成型压力条件见表2。由试验结果可见,尽管两种成型方法的固化压力不同,但相同预浸料上面板的力学性能没有明显差异或高低趋势,表明在使用ACG 公司生产的预浸料(MT M28/CF0304 42%RW、MT M28/GF0300 40%R W)制造蜂窝夹层结构复合材料时采用真空固化成型工艺是可行的。

表4 热压罐成型和烘箱真空成型蜂窝夹

层结构上面板的力学性能

性 能G W A H G W V H CW A H CW V H 拉伸模量/GPa28.927.565.467.1

拉伸强度/M Pa366424739947泊松比0.1450.1440.0790.03压缩模量/GPa32.227.266.756.0

压缩强度/M Pa349350495698

弯曲模量/GPa30.527.359.564.7

弯曲强度/M Pa59255811841104

层剪强度/M Pa54.749.065.371.8

表5给出了玻璃布和碳布预浸料经不同固化工艺或固化成型压力制备的层压板的力学性能,具体压力大小见表3。可以看出,这两种材料经烘箱真空固化成型的试板的力学性能与经热压罐固化的相关性能相比虽互有高低,但也均在正常范围内,表明采用真空固化成型制造的玻璃布和碳布增强复合材料的力学性能是能够得到保证的。试验也制备并测试了两种预浸料在固化成型时未加任何压力(即在不制真空袋的情况下放入热压罐中固化成型)制备的试板的力学性能,与施加了真空压力以及罐压制备的同类试板的力学性能相比,玻璃布预浸料复合材料的性能未表现出明显降低,但碳布预浸料复合材料的性能则出现了较大幅度的下降。分析认为,预浸料所用增强材料织物的厚度及纤维束粗细是产生这种结果的主要原因,玻璃布GF0300为0.1mm 厚的平纹布,而碳布CF0304的厚度为0.2mm,使得玻璃布预浸料在铺层及冷抽过程中已达到被压实的程度,而且在后续的固化过程中材料的空隙含量也不会因为加热而显著增加,然而纹理粗的碳布则无法达到玻璃布的状况。事实上,从表3中试板的厚度可以看出,GW A(P0)与G W V的厚度基本上是相当的,而C W A(P0)的厚度却比C W V和C W A

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