第3章树脂基复合材料成型与加工
3.1复合材料结构类型
航空航天领域所应用的复合材料结构一般分为两类，即层合结构和夹层结构，其中夹层结构的夹芯材料可能是蜂窝也可能是泡沫，如图31所示。


图31复合材料结构类型

(a) 层合结构；  (b) 泡沫夹芯结构；  (c) 蜂窝夹芯结构


3.1.1层合结构
复合材料层合结构指经过适当的制造工艺(如共固化、二次胶接、机械连接等)，主要由层合板形成的具有独立功能的较大三维结构，如翼面结构的梁、肋、壁板、盒段、机身侧壁以及飞机部件等。而层合板指由二层或多层不同的铺层通过树脂固化彼此粘接在一起构成的复合材料板，构成层合板的铺层可以是同种材料，也可以是不同材料，每层方向和铺层顺序按照结构元件的受力要求来设计，从而使形成的层合板达到满意的性能(见图32)。



图32层合板示意图



铺层及其方向的表示： 铺层是层合板的基本结构单元，其厚度很薄，通常为0.1~0.3mm。铺层中增强纤维的方向或织物径向纤维方向为材料的主方向(1向，即纵向)； 垂直于增强纤维方向或织物的纬向纤维方向为材料的另一个主方向(2向，即横向)。12坐标系为材料的主坐标系，又称正轴坐标系； xy坐标系为设计参考坐标系，如图33所示。


铺层是有方向性的，铺层的方向用纤维的铺向角(铺层角)θ表示。所谓铺向角(铺层角)就是铺层的纵向与层合板参考坐标x轴之间的夹角，由x轴到纤维纵向逆时针旋转为正。参考坐标系xy与材料主方向重合则为正轴坐标系(见图33(a))。xy方向与材料主方向不重合则称偏轴坐标系，如图33(b)所示。铺层的正轴应力与偏轴应力也在图33中标明。


图33铺层材料正轴与偏轴坐标系和应力

(a) 正轴坐标系和应力； (b) 偏轴坐标系和应力


层合板的表示方法： 为了满足设计、制造和力学性能分析的需要，必须简明地表示出层合板中各铺层的方向和层合顺序，故对层合板规定了明确的表示方法，如表31所示。






表31层合板表示方法



层合板类型图示表示法说明

一般层合板0-459045［45/90/-45/0］铺层方向用铺向角表示，按由下向上的顺序写出，铺向角间用“/”分开，全部铺层用“［ ］”括上


对称
层合板
偶数层090900［0/90］s只写出对称中面下的一半铺层，右括号外加写下标“s”，表示对称关系
奇数层45090045［45/0/90］s在对称中面的铺层上方加顶标“—”表示
续表



层合板类型图示表示法说明

具有连续重复
铺层的层合板0045［45/02］连续重复的层数用下标数字表示

具有连续正负
铺层的层合板-4545900［0/90/±45］连续正负铺层用“±”或“”表示，上面的符号表示前一个铺层，下面的符号表示后一个铺层

由多个子层
构成的层合板-4545-4545［45/-45］2

或［±45］2在层合板内一个多次重复的多向铺层组合叫子层合板。子层合板的重复数用下标数字示出

织物铺层层合板0,90±45［(±45)/(0，90)］织物用圆括号“()”以及经纬纤维方向表示，经向纤维在前，纬向纤维在后

混杂铺层层合板0G45K90C［90C/45K/0G］纤维的种类用英文字母下标出： C表示碳纤维，K表示芳纶纤维，G表示玻璃纤维，B表示硼纤维

夹层板450C5045［45/0/C5］s面板铺层的表示同前，C表示夹芯，其下标数字表示夹芯厚度，单位为毫米

层合板铺层对层板结构的性能影响显著，通常采用以下铺层原则。
1. 均衡对称铺设原则
除了特殊需要外，结构一般均设计成均衡对称层合板形式，以避免拉剪、拉弯耦合而引起固化后的翘曲变形。如果设计需要采用非对称或非均衡铺层，应考虑工艺变形限制。将非对称和非均衡铺层靠近中面，可减小层合板工艺变形。
2. 铺层定向原则
在满足受力的情况下，铺层方向数应尽量少，以简化设计和施工的工作量。一般多选择 0°、90°和±45°等4种铺层方向。如果需要设计成准各向同性层合板，可采用［0/90±45］s或［60/0/-60］s层合板，见图34。


图34不同铺层的层合板结构

(a) 单一方向铺层； (b) 准各向同性铺层


3. 铺层取向按承载选取原则
铺层的纤维轴向应与内力的拉压方向一致，以最大限度利用纤维轴向的高性能。具体地说，如果承受单轴向拉伸或压缩载荷，则纤维铺设方向一致； 如果承受双轴向拉伸或压缩载荷，则纤维方向按受载方向 0°、90°正交铺设； 如果承受剪切载荷，则纤维方向按+45°、-45°成对铺设； 如果为承受拉伸(或压缩)和剪切的复合载荷情况，则纤维方向应按0°、90°、+45°、-45°多向铺设。90°方向纤维用以改善横向强度，并调节层合板的泊松比。


4. 铺设顺序原则
主要从三方面考虑： 应使各定向单层尽量沿层合板厚度均匀分布，避免将同一铺层角的铺层集中放置。如果不得不使用时，一般不超过4层，以减少两种定向层的开裂和边缘分层。如果层合板中含有+45°层、0°层和90°层，应尽量在+45°层和-45°层之间用0°层或90°层隔开，在0°层和90°层之间用+45°层或-45°层隔开，并应避免将90°层成组铺放，以降低层间应力。对于暴露在外的层合板，在表面铺设织物或±45°层，将具有较好的使用维护性，也可以改善层合板的压缩和抗冲击性能。另外，铺设顺序对层合板稳定性承载能力影响很大，这一因素也应考虑。
5. 铺层最小比例原则
为使复合材料的基体沿各个方向均不受载，对于由方向为0°、90°、±45°铺层组成的层合板，其任一方向的最小铺层比例应≥6%~10%。
6. 冲击载荷区设计原则
对于承受面内集中力冲击部位的层合板要进行局部加强。应有足够多的纤维铺设在层合板的冲击载荷方向，以承受局部冲击载荷。还要配置一定数量与载荷方向成±45°的铺层，以便将集中载荷扩散。另外，还需采取局部增强措施，以确保足够的强度。对于使用中容易受到面外冲击的结构，其表面几层纤维应均匀分布于各个方向，相邻层的夹角尽可能小，以减小基体受载的层间分层。对于仍不能满足抗冲击要求的部位，应局部采用混杂复合材料，如芳纶或玻璃纤维与碳纤维混杂。
7. 连接区设计原则
应使与钉载方向成±45°的铺层比例不小于40%，与钉载方向一致的铺层比例大于25%，以保证连接区有足够的剪切强度和挤压强度，同时也有利于扩散载荷和减少孔的应力集中。
8. 变厚度设计原则
在结构变厚度区域，铺层数递增或递减应形成台阶逐渐变化，因为厚度的突变会引起应力集中。要求每个台阶宽度相近且不小于60°，台阶高度不超过宽度的1/10，然后在表面铺设连续覆盖层，以防止台阶外发生剥离破坏。
9. 开口区铺层原则
在结构开口区应使相邻铺层的夹角不大于60°，以减少层间应力。开口形状应尽可能采用圆孔，因为圆孔边应力集中较小。若必须采用矩形孔，则拐角处要采用半径较大的圆角。另外在开口时，切断的纤维应尽可能少。
3.1.2夹层结构
夹层结构是一种非常轻质的结构形式，其具备很高的比刚度和比强度。夹层结构是复合材料结构的特殊形式，它是由不同材料相互粘接组合，通过利用各组分的性能特点达到整个系统组成的结构优势。夹层结构一般由比较薄的上面板、下面板与芯材的粘接层、较厚的芯材、下面板与芯材的粘接层以及较薄的下面板所构成，这五个要素组成了一个整体的夹层结构，如图35所示。夹层结构的面板可以是复合材料层合板，也可以是铝合金板、钛合金板等。典型的面板材料包括铝、玻璃纤维、芳纶及碳纤维。芯材的材料包括金属和非金属蜂窝芯、轻质木材、开孔和闭孔泡沫塑料和其他合成材料，一般情况下蜂窝芯材较泡沫芯材昂贵，但具备更好的性能，而航空产品青睐于性能更高且价格更贵的蜂窝芯材。蜂窝芯子一般是铝蜂窝、玻璃纤维蜂窝、芳纶纸蜂窝，芯子的形状有正六边形、长方形等，通常使用正六边形。为了材料的相容性，现在主要采用芳纶纸蜂窝(Nomex蜂窝芯子)。



图35蜂窝夹层结构的组成




图36蜂窝夹层单元体受力状态

夹层结构传递载荷的方式类似于工字梁。工字梁的翼板位置离断面的中性轴最远，以承受面内拉压应力。腹板使翼板之间保持一定的距离而彼此分开，同时腹板在两个翼板之间分散剪应力。同样，夹层结构中，具有高强度、高模量的上下面板承受面内拉压应力，而质轻的芯材夹在中间使上下面板分开保持一定的距离，并分散剪应力。如果从承受侧向载荷的蜂窝夹层结构中取一个单元，则该单元的总体受力如图36所示，剪力FX和FY由蜂窝夹芯承受，弯矩MX和MY通过面板受轴力来承受，即通过上、下面板分别受拉(或压)、压(或拉)来承受； 轴力NX和NY也由上、下面板承受,扭矩MXY也由上下面板分别受剪来承受。

夹层结构的弯曲刚度性能主要取决于面板的性能和两层面板之间的高度，高度越大其弯曲刚度就越大。夹层结构的芯材主要承受剪应力并支持面板使其不失去稳定性，通常这类结构的剪力较小，芯材能足够承受。选择轻质的芯材可大幅度减小结构的质量，在飞机结构中具有重要的应用价值。面板很薄的夹层结构承受冲击载荷的能力较小，所以面板的厚度必须满足一定的条件。由于芯材是由轻质且相对于面板强度较低的材质做成，因此，芯材可以大面积地分布在上下面板之间，而并非像工字梁腹板那样对翼板提供局部支撑。
蜂窝夹层结构除具有上述受力特性外，还有如下特性： ①蜂窝夹层结构有比常规金属结构更高的比强度； ②蜂窝夹层结构与厚度等于上、下面板厚度之和的层合板相比，有更高的抗弯刚度； ③蜂窝夹层结构具有较高的结构阻尼，较高的吸音和耐声振疲劳的性能； ④蜂窝夹层结构具有隔热性能，并具有光滑的气动外形，蜂窝结构面板较薄，对低速冲击损伤敏感。
复合材料夹层结构在飞机结构中有着广泛的应用，对结构高度大的翼面结构和蒙皮壁板(尤其是上翼面壁板)采用夹层结构能明显减小质量。对于结构高度小的翼面结构，采用全高度夹层结构代替梁肋式结构也能带来明显的减重效果。目前飞机复合材料夹层结构主要应用部位有起落架舱门、雷达罩、地板、发动机短舱、飞行控制面(襟翼、副翼、升降舵、扰流板等)、翼身整流罩、翼梢小翼和蒙皮等。
3.2复合材料结构成型工艺
当纤维与树脂体系确定后，复合材料的性能主要取决于成型固化工艺。所谓成型固化工艺包括两方面的内容： 一是成型，就是将预浸料根据产品的要求铺置成一定的形状，一般就是产品的形状； 二是进行固化，就是使已铺置成一定形状的叠层预浸料在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预计的性能要求。
聚合物基复合材料的成型工艺与其他材料加工工艺相比有其自身特点，其制造工艺通常称为“特殊工艺”，主要有以下几个特点。
(1) 材料的形成与制品的成型同时完成。复合材料的生产过程，也就是复合材料制品的生产过程。在复合材料制品的成型中，增强材料的形状虽然变化不大，但基体的形状有较大改变。复合材料的工艺水平直接影响材料或制品的性能，如复合材料的薄弱环节是层间剪切强度，它除与纤维的表面质量有关外，重要的影响因素是制品中的空隙率。又如在各种热固性复合材料的成型方法中都有固化工序，为使固化后的制品具有良好的性能，首先应科学地制定工艺规范，合理确定固化温度、压力、保温时间等工艺参数，这些参数主要取决于选用的树脂体系。工艺过程中对工艺参数的控制直接影响制品的性能，成型过程中纤维的预处理(物理或化学方法的处理)，纤维的排列，驱除气泡的程度，是否挤胶，以及温度、压力、时间控制精确度等都直接影响制品性能。工艺方法的确定与制品结构有关，应该根据制品结构和使用受力情况来选择成型工艺： 如成型单向受力杆件和梁应采用拉挤法，因为拉挤成型可保证制品在顺着纤维方向上有最高的强度和刚度； 板壳构件可采用连续纤维缠绕工艺，以实现各个方向具有不同的强度和刚度的要求； 也可选取纤维织物(或方格布、预浸料或无纬布)铺叠得到各向异性的制品； 对于载荷情况不很清楚或承受随机分布载荷的制品，选用短切纤维模压、喷射等成型方法可以获得近似各向同性的制品。利用复合材料形成和制品成型同时完成的特点，可以实现大型制品一次整体性成型，从而简化了制品结构并且减少了组成零件和连接零件的数量，这对减少制品质量、降低工艺消耗和提高结构使用性能十分有利。
(2) 复合材料的成型比较方便。因为树脂在固化前具有一定的流动性，纤维很柔软，因此依靠模具容易形成要求的形状和尺寸。有的复合材料可以使用廉价简易设备和模具，不用加热和加压，由原材料直接成型出大尺寸的制品，这对单件或小批量产品尤为方便，这是金属制品工艺无法相比的。一种复合材料制品可以用多种方法成型，选择余地大，在选择成型方法时应该根据制品结构、用途、生产量、成本以及生产条件综合考虑，选择最经济和最简便的成型工艺。尽管成型复合材料制品的工艺比较简单，但具体工艺操作要求比较严格，如果材料组分、配比、纤维排布(或分布)不按设计要求，操作中形成皱褶、气泡或其他缺陷，都将影响制品的质量。应当尽量避免那些降低性能的工艺操作(如钻孔和切断纤维等)，尽量减少和消除性能薄弱区。如果成型过程中热固性基体的复合材料制品出现缺陷，多数情况会因不可修复而报废，材料也无法回收再利用。当前复合材料的原材料成本较高，尤其用在国防上的高级纤维和特种树脂价格昂贵，只有在操作上小心仔细才能减少和避免浪费。工艺过程中操作人员要接触化学药品、飞沙和粉尘，因此生产中应采取防护措施和注意劳动卫生，以保证人身安全和身体健康。
(3) 可设计性、可配制性显著。树脂基体属线性高分子材料，具有可塑性，是一种可改变其原料种类、方式的材料。可根据最终制品的应用要求和环境条件，任意设计原材料配方，配制出适应不同要求的材料体系。
复合材料及其制件的成型方法，是根据产品的外形、结构与使用要求，结合材料的工艺性来确定的。从20世纪40年代聚合物基复合材料及其制件成型方法的研究与应用开始，随着聚合物基复合材料工业迅速发展和日渐完善，新的高效生产方法不断出现。
3.2.1手糊成型工艺
手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是先在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，重复上述过程直至达到所需厚度为止。然后，在一定压力作用下加热固化成型(热压成型)，或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型(冷压成型)，最后脱模得到复合材料制品，如图37所示。



图37手糊成型示意图


手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法，虽然它在各国复合材料成型工艺中所占比例呈下降趋势，但仍不失为主要成型工艺。这是由于手糊成型具有以下优点： ①手糊成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产； ②设备简单、投资少、见效快，设备折旧费低； ③工艺简便、生产技术易掌握，只需短期培训即可进行生产； ④易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料； ⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。手糊成型的缺点为： ①生产效率低、劳动强度大、速度慢、生产周期长、不易批量生产； ②产品质量不易控制，性能稳定性不高； ③产品力学性能较低； ④生产环境差、气味大、加工时粉尘多，易对施工人员造成伤害。
手糊工艺也可直接使用预浸料制作复合材料制品。例如，首先在模具中涂覆脱模剂，将剪裁好的预浸料按一定方向和顺序逐层铺叠，直至所要求的厚度或层数，然后经加热、加压固化，脱模和修整后制成复合材料制品。
3.2.2热压罐成型工艺
热压罐成型是用真空袋密封复合材料坯件组合件放入热压罐中，利用罐内均匀的温度和压力进行固化成型制备复合材料制件的一种工艺方法，热压罐法相当于将真空袋压法的抽气、加热以及加压固化放在压力罐中进行。加温前，先将袋抽真空，除去空气和挥发物，然后按不同树脂的固化制度升温、加压、固化。


热压罐通常是一个卧式金属压力容器，将未固化的手糊制品加上密封胶袋，抽真空，然后连同模具用小车推进热压釜内，通入蒸汽(压力为1.5~2.5MPa)，并抽真空，对制品加压、加热，排出气泡，使其在热压条件下固化(见图38)。它综合了压力袋法和真空袋法的优点，生产周期短，产品质量高。热压罐法能够生产尺寸较大、形状复杂的高质量、高性能复合材料制品，产品尺寸受热压罐限制。热压罐成型技术经过近30年的发展，目前已经成为国内先进树脂基复合材料最成熟的成型技术之一，已开发应用的产品有机翼、尾翼、卫星天线反射器、导弹再入体、机载夹层结构雷达罩等。此法的最大缺点是设备投资大、质量大、结构复杂、费用高等。


图38热压罐系统


热压罐成型技术从最初铺贴、裁剪主要依靠手工发展到与预浸料自动下料、激光辅助定位铺层等数字化技术相结合，提升了热压罐成型技术水平，明显提高了预浸料铺贴、裁剪的精度，进而提高了复合材料的制造效率和构件质量。热压罐成型技术的进一步发展将是和自动铺放技术相结合，满足大型复合材料构件的高效优质制造的需求。
所谓自动铺放技术是以带有隔离衬纸的单向预浸料为原料，在切割区域完成预定形状的切割，经加热装置加热后，产生适于铺放的粘性，然后在压实装置的作用下直接铺贴到模具或者上一层预浸带表面的铺放方式，采用数控铺层设备，通过数字化、自动化的手段实现复合材料预浸布、带的连续自动切割和自动铺放。主要过程是将复合材料预浸料安装在铺放头中，预浸料由一组滚轮导出，并由压紧滚轮压紧在工装或上一层已铺好的材料上，用切割刀将材料按设定好的方向切断，能保证铺放的材料与工装的外形一致。自动铺放技术包括预浸料自动铺带技术和纤维自动铺放技术，前者适合铺放形状相对比较简单的复合材料构件，后者可以铺放形状复杂的复合材料整体结构。自动铺带技术具有铺放效率高、纤维取向偏差小、铺层间隙控制精度高以及材料利用率高等优点，国外已广泛用于复合材料机翼和尾翼等大型复合材料构件的制造。
自动铺带技术主要涉及预浸料可铺性、高精度预浸带制造技术、铺放模具设计制造技术以及自动铺带工艺技术。国内通过对预浸料粘性和可铺性关系的研究，已经实现了预浸料粘性的调控，获得了满足自动铺带要求的预浸料，并建立了预浸料可铺性评价装置和标准。通过研究不同分切工艺对预浸带分切精度的影响，建立了预浸带高精度分切设备和技术。通过研究解决了自动铺带铺放模具定位、构件外形和局部加强对自动铺带的限制，建立了自动铺带铺放/成型模具技术和确定了自动铺带工艺参数。
纤维自动铺放技术，简称自动铺丝或纤维铺放，是20世纪70年代作为缠绕与铺放技术的改革提出的新技术。该技术既克服了纤维缠绕成型

图39自动铺丝机

的三大限制，即周期性、稳定性、非架空，又较自动铺带有更大的灵活性，即综合了两类技术的优点。因此，自动铺丝机（见图39）一经出现，就在飞机复合材料结构件制造中得到了广泛应用。自动铺丝的特点是自动化快速成型，质量可靠，主要适用于大型复合材料零件成型，在成型形状复杂的双曲面零件(如机身、翼身融合体等)时优势尤为明显，有些甚至是其他方法无法实现的。


3.2.3喷射成型工艺
喷射成型一般是将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧(或在喷枪内混合)喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。待沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品，如图310所示。


图310喷射成型示意图


喷射成型对所用的原材料有一定要求，例如树脂体系的粘度应适中，容易喷射雾化、脱除气泡和浸润纤维，以及不带静电等。最常用的树脂是在室温或稍高温度下即可固化的不饱和聚酯等。喷射法使用的模具与手糊法类似，而生产效率可以提高数倍，劳动强度降低，能够制作大尺寸制品。用该方法虽然可以成型形状比较复杂的制品，但其厚度和纤维含量都较难精确控制，树脂含量一般在60%以上，孔隙率较高，制品强度较低，施工现场污染和浪费较大。
3.2.4袋压成型工艺
袋压成型工艺是将纤维预制件铺放在模具中，盖上柔软的隔离膜，在热压下固化，经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构的构件。袋压成型可分为三种，分别为真空袋压成型、压力袋压成型和热压罐成型。真空袋压成型的工作原理见图311，其主要设备是烘箱或其他能提供热源的加热空间、成型模具以及真空系统。由于真空压力最多只能达到0.1MPa，故该法只适用于厚度为1.5mm以下的复合材料板材，以及蜂窝夹层结构的成型。前者要求其基体树脂能在较低压力下固化，后者由于蜂窝夹层结构的自身特点，为了防止蜂窝芯子压塌而只能在低压下成型。成型蜂窝结构时，通常首先将面板压制出来，然后与蜂窝芯子胶接成为整体，也可采用预浸料与蜂窝芯子一次共固化成型。


图311真空袋压成型的工作原理


压力袋成型方法(见图312)是在真空袋法基础上发展起来的，目的是提高成型压力，成型一般需要压力大于 0.1MPa，而尺寸不大的结构件。薄蒙皮的成型和蜂窝结构的成型