固化制度对吸湿后复合材料基材二次胶接性能影响研究.pdf

实验报告 年第 期高科技纤维与应用固化制度对吸湿后复合材料基材二次胶接性能影响研究余永波 刘宇婷 晏冬秀(中国商飞上海飞机制造有限公司 上海)摘 要:针对航空复合材料典型碳纤维织物预浸料 开展了待胶接基材的吸湿规律以及固化制度对二次胶接性能影响研究 通过试验建立了典型碳纤维织物基材的吸湿规律 掌握了与之匹配的环氧胶膜的二次胶接性能 通过(型层间断裂韧性)力学性能测试 以及对比分析 从固化时间、温度、压力等方面建立了吸湿后待胶接基材的二次胶接性能变化规律 结合前期研究结论 对固化吸湿后基材胶接性能的影响规律进行探索 分析认为:基材吸湿后胶接 水汽主要使胶膜的树脂碎片化、不连续 无法有效传递载荷 二次胶接固化中 水汽与固化制度耦合作用 固化时间越长 树脂的碎片化程度越严重 性能越低关键词:吸湿率 二次胶接 固化制度 影响规律中图分类号:文献标识码:文章编号:()作者简介:余永波()高级工程师 主要从事民用复合材料热压罐成型工艺研究 电子邮箱:():()实验报告 高科技纤维与应用 年第 期 :引言随着航空制造技术的发展 复合材料胶接工艺得到了日益广泛的应用 胶接形式有板板、板芯、多层板胶接等 复合材料胶接结构大幅度提高结构完整性和结构刚性 可以减轻结构重量、降低制造成本、改善疲劳强度 并且具有良好的抗化学腐蚀能力 影响复合材料胶接性能的因素很多 主要包括胶粘剂和基材类型以及胶接工艺方法 从工艺过程来看 影响胶接性能的主要因素包括湿热环境条件、基材表面处理方式、胶 接 固 化 工 艺 参 数(温 度、压 力、时 间等)乔海涛等等开展了固化温度对胶粘剂性能的影响 研究指出 在固定的固化时间内升高固化温度有助于提高胶接强度 余永波等研究了复合材料待胶接基材吸湿对力学性能的影响研究指出 吸湿后的基材会析出水汽 对胶膜产生物理和化学作用 使力学性能大幅下降 本文首先对民用航空典型的碳纤增强高温环氧织物基材的吸湿性能进行了研究 建立了吸湿规律 在此基础上 将碳纤增强高温环氧织物基材与环氧体系胶膜胶接 研究了固化工艺参数对吸湿后基材二次胶接性能的影响 实验材料及方法制备高温固化标模高强碳纤维环氧树脂织物基材 表面处理采用湿可剥布和打磨两种方式基材(带可剥布)在 /()/()温湿度环境下吸湿 掌握吸湿量的变化情况 带可剥布基材吸湿后 在不同固化制度(温度、压力、升降温速率、保温时间的组合)下二次胶接 之后测试胶接试验件的力学性能 实验材料基材:高温固化标模高强碳纤维环氧树脂织物预浸料 生产厂家为 铺层结构:/胶膜:固化的复合材料用结构胶粘黏剂 生 产 厂 家 为 基材表面处理方式:湿可剥布 生产厂家为 基材吸湿处理测量工具要求:天平 精度 恒温恒湿箱:/()/()处理周期:天试验方法:()参考 中平衡吸湿方法()首先将试 样 在 烘 箱 中 烘 干:温 度 为 保温 ()使用天平对烘干试样初次称重 并作为吸湿的基准重量()将试样放置在恒温恒湿箱中 放置试样之前恒温恒湿箱已经达到了规定的稳态环境()吸湿处理前后 天内间隔 其他时间间隔 (表)从恒温恒湿箱中取出试样并放置在试样袋中 密封试样袋表 称重记录表处理时间时间、地点温度/湿度/重量/平均吸湿量/初次烘干 实验报告 年第 期高科技纤维与应用()从试样袋中取出试样 用揩布或者不起毛的毛巾擦去表面水封后 进行称重 每块试样称取 次()计算湿热百分比:()组试样按照表 的时间进行湿热处理按照表 中的时间间隔进行称重 称重后将试样放回浸润箱 循环至各自要求的时间结束 固化制度对比按照规范中的固化工艺参数 将升降温速率、固化温度、固化时间、固化压力划分为三个区间按照上限、中限和下限制备胶接试样 形成固化制度试验矩阵(表)表面处理方式 采用可剥布及打磨两种方法表 全矩阵验证的二次胶接工艺制度试验项目固化制度代号升温速率温度范围/升温速率/保温温度/保温时间/固化压力/测试与表征试验参照 “单向纤维增强聚合物基复合材料 型层间断裂韧性的标准试验方法”标准实施 试验在 试验机上完成 在试样的侧边涂上白色涂层初始加载:以 /的恒定速率对试样施加拉伸载荷 连续记录载荷和位移值 记录分层位置 分层裂纹扩展的增量达到 时 应停止加载 以 /的 恒 定 速 率 对 试 样卸载重新加载:以/的恒定速率对试样施加拉伸载荷 直至达到最终的分层长度后卸载连续记录位移和载荷值 再以 /的恒定速率对试样卸载按下式计算 结果取 位有效数字:()式中:型层间断裂韧性/在最小锯齿偏移(暂停处)底部或锯齿偏移尖端(初始)测得的断裂载荷 与载荷 值相对应的十字夹头偏移计算值 试样宽度 载荷 下的裂纹长度(目视测量长度且手工记录)结果及讨论 不同表面处理方式的吸湿率常温条件下的吸湿率:在 /温湿度下吸湿 天 带可剥布基材的吸湿率与打磨基材的吸湿率相近 均为 (图)高温条件下的吸湿率:在()/()吸湿 天 不论是否采用可剥布 基材吸湿率相同 均为 对比常温吸湿条件下实验报告 高科技纤维与应用 年第 期 的吸湿率可知:相同时间内 温湿度越高 吸湿量越大(图)带可剥布基材在高温高湿条件下吸湿后 经过()下 烘干处理 吸湿率约为 烘干 后吸湿率下降到约 (图)这说明对于带可剥布基材吸湿过程是可逆的 在高温条件下发生脱湿 吸湿量随着烘干时间和温度升高而逐步降低 但烘干处理能否完全将吸湿量去除 还有待验证:#(/#(#(#(UBU#+#(UCU.+#+#(图 有/无可剥布基材在常温吸湿条件下处理 天的吸湿率:#(/:#(/UBUP#+#(UCU.P#+#(P#(P#(图 有/无可剥布基材在高温吸湿条件下处理 天的吸湿率:#6#(P#&#(图 有可剥布基材在高温吸湿条件下吸湿及脱湿的情况 实验报告 年第 期高科技纤维与应用 不同固化制度的力学性能经吸湿处理的基材 立即开展二次胶接带可剥布基材在胶接前去除可剥布 表面打磨处理基材则按照规范要求进行打磨和清洁 随后快速完成胶接组装和打袋 从接收到吸湿基材到完成后打袋 控制在 以内 从每一块胶接试板上切割下料的 试片无差别 随机编号 为了便于对比分析 在数据处理时每一组的 试片性能按照由低到高排序 试样的测试结果如下 可剥布、胶接制度下不同吸湿处理 性能对比()从图 中的吸湿处理与 值的关系可以看出 常温吸湿、高温吸湿后烘干 与空白对照相比胶接性能大幅降低 超过了()高温吸湿后进行烘干处理 与常温吸湿的 性能接近 通过图 和图()中的吸湿率#/+&P#&UUG*$+N6A4#)G*$2U&6U图 固化制度下不同湿热处理条件下 性能对比可知 两个处理条件下吸湿率相近 因此 性能相近 未吸湿带可剥布基材在不同固化制度下性能对比()从图 中的固化制度与 值的关系可以看出 整体 性能与胶接制度基本上呈现出 的关系%6&66)/+3U#U-E(*$6图 可剥布、未吸湿基材在不同固化制度下 性能对比()可剥布处理基材 和 胶接制度的 性能相差很小 固化制度下胶接性能大幅下降下降幅度约 对照表 可知 未经吸湿处理的基材二次胶接 随着升温速率降低、固化时间延长、固化压力增大 大幅下降 常温吸湿后不同固化制度下性能对比分析()从图 ()中的 性能与可剥布处理表面的关系可以看出:性能与胶接制度基本上呈现出 的关系 三个固化制度之间性能相差较小()从图 ()中的 性能与打磨处理表面的关系中可以看出:胶接制度与 性能呈现出 的趋势 三个固化制度之间性能相差较大实验报告 高科技纤维与应用 年第 期%6&66%6&66A4A4G*$+NG*$+NG*$2UUG*$2U.UUBUG*$6!UCU.G*$6!图 常温吸湿后不同固化制度下 性能对比 不同表面处理方式下 性能对比分析()从图 中可以看出、胶接制度下 可剥布处理基材胶接性能均高于打磨处理的性能()相同的固化制度下 两种表面处理方式下性能相差很大 可剥布相比打磨处理高于以上()进一步分析可知:吸湿主要发生在基材表面 带可剥布基材在去除可剥布之后将带走大部分水分 因而胶接性能受水汽影响较小 而打磨处理基材的水分相对更多 从而导致胶接性能下降更大 导致打磨处理性能大幅低于可剥布处理 性能的主要原因为基材残余吸湿量不同.G*$+NG*$+NG*$+N6A46A46A4=L)!%6=L)!&6=L)!6UBU%G*$6!UCU&G*$6!UDUG*$6!图 相同固化制度下不同表面处理方式 性能对比 实验报告 年第 期高科技纤维与应用 结论()常温吸湿处理 天和高温吸湿 天后烘干 性能大幅下降 性能降超过了()胶接制度对 性能的影响 整体呈现出 的规律:未做吸湿处理的基材 固化制度对 性能占主要影响 随着的固化压力、固化温度、固化时间的大幅升高 性能最大下降了约 基材吸湿处理后 受表面处理方式的影响 固化制度对胶接性能影响规律相同 均为 的规律()吸湿处理后 表面处理方法对胶接性能影响为:可剥布处理基材胶接性能大幅高于打磨处理基材 分析主要原因为两种表面处理方式下基材吸湿量不同 不同固化制度下的表面形貌针对可剥布处理基材 选取吸湿处理、未吸湿处理基材在不同胶接制度下二次胶接 采用光学显微镜对 测试后的断裂形貌进行观测 结果见表 表 观测试样信息表序号试样编号放大倍数试样信息处理方式固化制度观测结果 可剥布/未吸湿可剥布/常温吸湿可剥布/常温吸湿可剥布/常温吸湿能清晰观测到胶膜载体 从图 可以看到 树脂连续 无孔洞和气孔能够清晰看到胶膜的纤维载体 颜色较深区域可以明显地看到载体被拔出 低倍显微镜下树脂表面呈毛绒状图 试样光学放大的断裂形貌观测从图 中可以看到 树脂胶膜呈不连续的“鱼鳞”状 并且非常严重 仍然能够看到胶膜的纤维载体 但载体间树脂呈“碎片化”已无法有效传递载荷从图 中可以看到 树脂胶膜连续 部分区域泛白 呈现出“皲裂”趋势 能够看到胶膜的纤维载体 但少许载体被拔出 低倍率下未见毛绒状表面图 试样光学放大的断裂形貌观测从图 中可以看到 树脂与纤维载体的形貌与图 相似 树脂胶膜连续 部分区域泛白 呈现出“皲裂”趋势 能够看到胶膜的纤维载体但少许载体被拔出实验报告 高科技纤维与应用 年第 期 图 试样光学放大的断裂形貌观测图 试样光学放大的断裂形貌观测从以上对比分析 结合吸湿对复合材料胶接影响研究及机理探索结论 可以得出:()基材吸湿后二次胶接 水汽主要使胶膜的树脂碎片化、不连续 无法有效传递载荷()二次胶接固化中 因水汽与固化制度耦合作用 固化时间越长 树脂的碎片化程度越严重 性能越低 结论针对吸湿后固化制度对复合材料二次胶接性能的影响 通过设计验证试验 掌握了典型碳纤增强织物预浸料常温、高温吸湿率 以及高温吸湿后脱湿规律 掌握了基材吸湿后 不同固化制度下的二次胶接性能影响规律 结合前期研究成果 证实了吸湿对二次胶接性能的影响机理 经过总结 形成结论如下:()常温吸湿一定时间 带可剥布基材和打磨处理基材的吸湿率几乎相同()高温吸湿一定时间 带可剥布基材吸湿率远大于常温吸湿处理基材的吸湿量 吸湿过程可逆 经烘干处理后基材中水分绝大部分能去除()可剥布和打磨基材的二次胶接 性能主要受升温速率、固化时间、固化压力等固化制度的影响()基材常温吸湿后 固化制度对胶接性能的影响规律大致相似 可剥布处理基材在去除可剥布时带走大部分水汽 从而减小对基材 性能影响()基材常温吸湿和高温吸湿后烘干处理二次胶接 性能将大幅下降()基材吸湿后二次胶接 水汽会使胶膜无法有效传递载荷 且固化时间越长 性能下降幅度越大参考文献 高翔 郭蕊娜 刘佳 复合材料胶接技术及其在某型飞机垂尾翼盒上的应用 教练机():郑瑞琪余云照 结构胶粘剂及胶接技术 北京:科学出版社 :/乔海涛 邹贤武 复合材料胶接技术的研究进展宇航材料工艺():余永波 晏冬秀 陈萍 吸湿对复合材料胶接影响及机理探索研究 纤维复合材料():/.:.