真空輔助樹脂灌注工藝成型泡沫夾芯結構工藝設計與控制
采用無屈曲織物(NCF)、CYCOM?890RTM 樹脂體系和聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫以及真空輔助樹脂灌注成型工藝(VARI)成型泡沫夾芯復合材料平板，結合力學性能測試和微觀結構分析等手段研究了成型過程中抽膠對夾芯板界面質量以及纖維體積分數(shù)的影響，分析產生的缺陷類型及原因，優(yōu)化了工藝參數(shù)。結果表明：抽膠有利于提高泡沫夾芯板的纖維體積分數(shù)和力學性能，在100～120℃溫度范圍內進行30min的抽膠，工藝穩(wěn)定，層間剪切強度和彎曲強度顯著提高。
真空輔助樹脂灌注成型工藝(vacuum assistedresin infusion，VARI)以其低成本、高質量、工藝方法靈活的優(yōu)勢逐漸成為制備大尺寸、大厚度復雜制件的新型方法。
泡沫夾芯復合材料作為一種高效復合結構材料，結合了復合材料面板的高強度和泡沫芯材的低密度，在陸運、海運、航空航天及建筑等領域應用前景廣闊。目前普遍使用的泡沫夾芯復合材料都存在面板與泡沫芯材粘結強度低的問題，在外荷作用下，面板和芯材之間極易發(fā)生粘。面板與芯材的粘結強度主要取決于樹脂對面芯界面的浸潤和最終的固化成型。同時，原材料性能和成型工藝方法也影響固化反應進行，從而影響界面粘結強度。
國外學者對夾芯結構的破壞理論研究較多，主要針對界面破壞進行數(shù)值分析，工藝的復雜性和不穩(wěn)定性成為阻礙夾芯結構復合材料工藝控制理論發(fā)展的重要因素。而VARI中的抽膠工藝直接影響夾芯結構中面板和界面處的樹脂含量，在最佳的樹脂含量范圍內可獲得較優(yōu)的力學性能。
本文中采用VARI工藝成型泡沫夾芯復合材料板，結合力學性能測試和微觀分析等手段，研究了成型過程中工藝參數(shù)對夾芯板界面質量以及纖維體積分數(shù)的影響，并分析產生的缺陷類型及原因，制定VARI工藝成型泡沫夾芯結構有效的工藝設計與控制方法，保證制品成型質量，為復合材料泡沫夾芯結構的應用提供技術基礎。
1、實驗材料及方法
1.1、原材料及設備
原材料：增強材料為±45°雙軸向無屈曲織物(NCF)，單層厚0.27mm，碳纖維T700，密度1.80kg/m3，面密度為260.42g/cm2；樹脂體系為CYCOM 890 RTM，由美國Cytec EngineeredMaterials公司生產；泡沫芯材為ROHACELL?71WF聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)硬質泡沫，100%閉孔結構，厚10mm，由德國贏創(chuàng)德固賽公司生產。
1.2、復合材料泡沫夾芯板制備
實驗采用真空輔助樹脂灌注(vacuum assistedresin infusion，VARI)成型工藝制備復合材料泡沫夾芯板。工藝流程圖見圖1。
圖1 泡沫夾芯板的制備工藝流程
實驗根據(jù)夾芯結構的力學性能測試標準ASTMC 393/C393M-06和ASTM C 273/C273M-07確定泡沫夾芯板的鋪層順序為[±45°/±45°/±45°/泡沫/45°/45°/45°]。夾芯板成型過程中，注膠管和抽氣管位置固定，導流網(wǎng)上下滿鋪。為了避免夾芯板內部出現(xiàn)干斑等問題，將抽氣管附近的導流網(wǎng)適當縮短10～20mm。同時為了保證夾芯板厚度的均勻性，采用雙真空袋工藝。具體實驗裝置如圖2所示。在本實驗中，抽膠定義為關閉注膠管后，繼續(xù)使抽氣管抽氣，一段時間后再關閉。
根據(jù)RTM890樹脂的流變性能和固化特性，確定樹脂的注射溫度為80℃，固化工藝制度為160℃/2h+180℃/2h。實驗在80℃注膠30min后，分別在抽膠溫度為80、100、120、140、160℃下，選擇抽膠時間為0、10、30、60、120min，成型復合材料泡沫夾芯板。
圖2 制備泡沫夾芯板的實驗裝置圖
1.3、測試與表征
采用Instron 5982力學性能測試機對復合材料泡沫夾芯板進行彎曲和剪切性能測試；采用奧林巴斯BX51M 光學顯微鏡以及JSM-5800掃描電子顯微鏡(SEM)對夾芯板的界面狀態(tài)進行微觀表征。
3、結論
(1)抽膠處理有利于提高面板纖維體積分數(shù)，當抽膠到一定程度后纖維體積分數(shù)基本保持不變，維持在55%左右。
(2)抽膠溫度和抽膠時間對面板夾芯的界面有較大影響，在該樹脂體系下，在100～120℃之間進行30min左右的抽膠處理，能實現(xiàn)工藝穩(wěn)定，得到良好界面。
(3)面板的纖維體積分數(shù)和面板芯材的界面層制約著結構件的承載能力，對抽膠工藝進行優(yōu)化控制，在保證厚度要求的同時，能得到綜合性能優(yōu)異的復合夾芯結構。
