复合材料双真空袋成型工艺研究

第 26卷 　第 3期 2006年 6月 　 　 航 　空 　材 　料 　学 　报 JOURNAL OF AERONAUTICAL MATER IALS Vol. 26, No. 3 June　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 : 100525053 (2006) 0320222204 收稿日期 : 2006201220; 修订日期 : 2006203221 作者简介 : 李斌太 (1974 - ) ,男 ,高级工程师 ,从事复合材料 研究 , ( E2mail) bintaili@ sohu. com。 　　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. 7MPa) ,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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,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 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 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 Naval A ir W arfare Center和 NASA Langley Research Center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 LT203 /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。LT203树脂体系的 粘度 - 温度曲线 (升温速率为 2℃ /m in)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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 测试结果来 对工艺进行 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 和优化。 第 3期 复合材料双真空袋成型工艺研究 图 1　LT203树脂的粘度 2温度曲线 　　Fig. 1　Plot of viscosity of LT203 vs. temperature at heating 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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　D B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 2a, DB2b和 DB2c工艺均 未对材料固化过程的流胶和压实产生显著影响 ;而 DB2d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 85MPa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 /T700SC复合材料的力学性能。 图 2　DB工艺的设置 Fig. 2　Schematic drawing of different DB p rocess cure cycle p rofiles 表 1　300mm ×300mm的 [ 0 ]16LT203 /T700SC复合材料板材的重量和厚度 Table 1　Mass and thickness of LT203 /T700SC composite p late with a size of 300mm ×300mm Process Mass of p rep reg p lies/g Mass of composite p late /g Thickness of composite p late /mm Vacuum bag p rocess 309 279 2. 08 DB2a 307 278 2. 06 DB2b 308 276 2. 08 DB2c 309 280 2. 08 DB2d 308 296 2. 21 322 Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 航 　空 　材 　料 　学 　报 第 26卷 图 3　75℃时 LT203树脂的粘度 2时间曲线 Fig. 3　Plot of viscosity of LT203 vs. time 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—DB2a工艺 ; 3—DB2b工艺 ; 4—DB2c工艺 ) Fig. 4　interlam inar shear strength of different p rocess molded composites ( 1—vacuum2bag; 2—DB2a p rocess; 3—DB2b p rocess; 4—DB2cp rocess) 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 2a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. 5MPa,相比较而 言 , DB2b工艺和 DB2c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 2a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 2b和 DB 2c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) DB2a工艺 ; ( c) DB2b工艺 ; ( d) DB2c工艺 Fig. 5　C2Scan photographs of vacuum2bag and DB molded composites ( a) vacuum2bag p rocess; ( b) DB2a p rocess; ( c) DB2b p rocess; ( d) DB2c p rocess) 　　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。 422 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) DB2a工艺 ; ( c) DB2b工艺 ; ( d) DB2c工艺 Fig. 6　Op tical phtotm icrographs of vacuum2bag and DB molded composites ( a) vacuum2bag p rocess; ( b) DB2a p rocess; ( c) DB2b p rocess; ( d) DB2c p rocess) 3　结　论 使用双真空袋成型工艺制备了 LT203 /T700SC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。 参考文献 : [ 1 ] BUCKLEY L B, TRABOCCO R E, ROSENZW E IG E L. 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A double2vacuum2bag (DB) p rocess was investigated to imp rove Vacuum2bag p rocess. A s evidenced by the C2Scan and op tical photom icrographs, low void composite with high mechanical p roperty can be p roduced through double2vacuum2bag p rocessing technique. So the vacuum2only double2vacuum2bag p rocess can im2 p rove quality of composites. Key words: ; vacuum2bag p rocess; double2vacuum2bag (DB) ; void; mechanical p roperty 522