（上海飛機(jī)制造有限公司，上海201324）

航空安全一直是備受矚目的話題，尤其民航飛機(jī)由于起降飛行頻繁，雷擊、閃電等不可抗拒的自然因素，一直是航空飛行的安全隱患[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)日利用率若達(dá)到10h，每10個(gè)月就可能被閃電擊中一次。因而，閃電防護(hù)是飛機(jī)設(shè)計(jì)制造過程中必須考慮的重要內(nèi)容，是保證飛行安全的重要措施之一[3-5]。隨著先進(jìn)復(fù)合材料優(yōu)異性能的不斷顯現(xiàn)，其替代鋁合金等金屬材料，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的用量不斷提升，空客和波音最新的機(jī)型A350和波音787等復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)重量已經(jīng)超過了50%[6-8]。但復(fù)合材料的抗雷擊損傷能力比鋁合金等金屬材料要差，這也對(duì)航空復(fù)材制件的閃電防護(hù)提出了新的要求。目前，國(guó)際通用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)閃電防護(hù)措施，是在復(fù)材結(jié)構(gòu)件的制造過程中，在需防護(hù)面加入金屬網(wǎng)，或者通過火焰、離子噴涂等措施引入金屬涂層，通過金屬網(wǎng)或涂層將雷擊電流引走，而引入金屬網(wǎng)用作閃電防護(hù)層的措施更加常用，一般采用的金屬網(wǎng)是銅網(wǎng)或鋁網(wǎng)[9-11]。

另一方面，隨著航空復(fù)材制件在民機(jī)結(jié)構(gòu)中的大量應(yīng)用，其制造成本較高的問題也愈發(fā)凸顯，降低制造成本已成為促進(jìn)航空復(fù)材制件應(yīng)用發(fā)展的重要因素。由此，以液體成型技術(shù)為代表的復(fù)材低成本制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并備受矚目。RTM樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molding）和VARI真空輔助樹脂注射成型（Vacuum Assisted Resin Infusion），是液體成型技術(shù)的典型代表[12-13]。VARI工藝是在RTM工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，VARI工藝是在單面剛性模具上以柔性真空袋薄膜包覆、密封纖維增強(qiáng)材料，然后在真空負(fù)壓下排除模腔中的氣體，利用樹脂的流動(dòng)、滲透實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維及其織物的浸漬，并在非熱壓罐條件下（固化爐）固化成型的一種工藝方法[12-16]。波音787機(jī)翼襟副翼、龐巴迪Learjet 85公務(wù)機(jī)的機(jī)翼壁板等，都成功采用VARI工藝制備，據(jù)報(bào)道俄羅斯正在研制的MS-21型客機(jī)，整個(gè)機(jī)翼包括壁板、梁等結(jié)構(gòu)件，均采用VARI等先進(jìn)液體成型工藝制造。

而VARI工藝面臨的一個(gè)問題是，注膠過程中通常會(huì)采用一層導(dǎo)流網(wǎng)（一般為聚合物材料）鋪覆在制件表面，促進(jìn)樹脂的滲透和流動(dòng)，在制件固化成型后，導(dǎo)流網(wǎng)上富集的過量樹脂會(huì)連同導(dǎo)流網(wǎng)一起從制件表面剝離去除，這在航空復(fù)材制件的工業(yè)化大量生產(chǎn)中將會(huì)造成極大的浪費(fèi)。此外，在導(dǎo)流網(wǎng)的機(jī)械剝離過程中也易造成復(fù)材制件的表面質(zhì)量缺陷。

由上所述，一方面是銅網(wǎng)在航空復(fù)材制件表面用作閃電防護(hù)層；另一方面，常用導(dǎo)流網(wǎng)在VARI成型工藝中造成大量浪費(fèi)，也易引起質(zhì)量問題，將這兩方面的需求相結(jié)合，本文提出在表面應(yīng)用類的航空復(fù)材制件（如蒙皮、壁板等）的VARI成型工藝中，將閃電防護(hù)銅網(wǎng)用作導(dǎo)流介質(zhì)，將銅網(wǎng)的閃電防護(hù)作用和樹脂導(dǎo)流作用進(jìn)行集成，并對(duì)閃電防護(hù)銅網(wǎng)在VARI工藝中的樹脂滲透效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。本研究對(duì)于豐富復(fù)材VARI成型工藝技術(shù)手段，提升VARI工藝的綜合經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步拓展VARI工藝在民機(jī)復(fù)材結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有積極意義，也為VARI成型工藝制備的閃電防護(hù)復(fù)材制件在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

原 材 料：NCF纖 維 布 SCF35S（12K，260gsm SAERTEX公司）；為方便觀察研究，試驗(yàn)未采用高溫固化樹脂，而采用低溫固化樹脂EPOLAM5015樹脂和5014固化劑（AXSON TECHNOLOGIES公司）；閃電防護(hù)銅網(wǎng)CYB9T21（Dexmet Corporation公司）；導(dǎo)流網(wǎng)RESINFLOW 90HT（AIRTECH公司），耐溫218℃；真空袋膜；四氟可剝布；螺旋管；導(dǎo)管等。

圖1（a）展示了試驗(yàn)所用NCF纖維布，該NCF布纖維絲束排布致密平滑，在操作中鋪貼性能很好，這得益于其獨(dú)特的編紡方式，其編紡線并非簡(jiǎn)單與纖維絲束垂直，而是呈鎖型走線，設(shè)置巧妙，既可以有效固定纖維絲束，又保持了較好的柔韌度。此外，其料片背面帶有一薄層粉末定型劑，利于操作，便于預(yù)成型體制備過程中的料片定型。圖1（b）是試驗(yàn)所用的90HT導(dǎo)流網(wǎng)，為業(yè)界常用產(chǎn)品，可以看到，該導(dǎo)流網(wǎng)平均孔徑較大，約9mm2，而在VARI工藝中制件經(jīng)注膠固化后，導(dǎo)流網(wǎng)的孔洞均會(huì)充滿樹脂，在導(dǎo)流網(wǎng)上也會(huì)富集一層樹脂，可見，這將造成樹脂的浪費(fèi)，尤其工業(yè)生產(chǎn)中航空復(fù)材制件一般采用高溫固化樹脂，帶來(lái)的成本浪費(fèi)更大。圖1（c）是試驗(yàn)所用的閃電防護(hù)銅網(wǎng)，該銅網(wǎng)厚度較薄，材質(zhì)柔軟，剪裁和鋪貼的操作性很好。

試驗(yàn)設(shè)備：GERBER Cutter自動(dòng)下料機(jī)、Al平板工裝、固化爐（溫度波動(dòng)≤±1℃）、真空泵等。

圖1 試驗(yàn)所用NCF料片、導(dǎo)流網(wǎng)和閃電防護(hù)銅網(wǎng)Fig.1 NCF, flow mesh and lightning-strike-protection copper mesh used in the experiments

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)通過VARI工藝制備平面尺寸相同的復(fù)材層壓板，如圖2所示，分別采用導(dǎo)流網(wǎng)和閃電防護(hù)銅網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱銅網(wǎng)），進(jìn)行表面導(dǎo)流，并與無(wú)導(dǎo)流的層板進(jìn)行對(duì)比，分析在導(dǎo)流網(wǎng)、不同厚度銅網(wǎng)導(dǎo)流以及無(wú)導(dǎo)流情況下的樹脂滲透情況，并將層板固化，研究銅網(wǎng)在層板表面的成型質(zhì)量。

圖2 對(duì)比樹脂滲透率的試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic of the resin permeability measure method in the experiment

制備層板的NCF鋪層數(shù)設(shè)定為8層，鋪層順序?yàn)閇（+45°，-45°）/（0°，90°）/ （-45°，+45°）/（90°，0°）/（0°，90°）/ （+45°，-45°）/（90°，0°）/（-45°，+45°）]，單層料片尺寸為100mm×300mm。試驗(yàn)中NCF料片通過自動(dòng)下料機(jī)下料，然后在平板工裝上進(jìn)行手工鋪貼。鋪貼過程中通過電熨斗熱熨料片，將料片背面的定型劑加熱熔化實(shí)現(xiàn)料片貼合定位，鋪貼第1層打真空袋，之后每4層料片打真空袋，保壓15min，以促進(jìn)料片壓實(shí)。

在NCF料片最上層，鋪放銅網(wǎng)或?qū)Я骶W(wǎng)，由于銅網(wǎng)厚度較?。?.1mm），試驗(yàn)采用1層、2層、4層的銅網(wǎng)以對(duì)比不同厚度銅網(wǎng)的導(dǎo)流效果，如圖3所示，從左向右，銅網(wǎng)層數(shù)分別為0、1、2、4層。銅網(wǎng)上覆蓋四氟可剝布，以防銅網(wǎng)邊緣刺破真空袋膜，同時(shí)便于注膠固化后，清除層板表面的真空袋。需要說(shuō)明的是，為便于觀察記錄樹脂的流動(dòng)情況，試驗(yàn)中將銅網(wǎng)置于試件的貼袋面而非貼模面，在后續(xù)的工作中，將進(jìn)一步構(gòu)建銅網(wǎng)在貼模面的相關(guān)試驗(yàn)與測(cè)試。

每個(gè)試樣彼此獨(dú)立打袋，如圖4所示，5個(gè)試樣從左向右依次為無(wú)導(dǎo)流、1層銅網(wǎng)、2層銅網(wǎng)、4層銅網(wǎng)和導(dǎo)流網(wǎng)。兩個(gè)試樣間使用密封膠條進(jìn)行隔離，進(jìn)出膠管路通過開關(guān)閥門控制并彼此隔離，從而盡可能避免導(dǎo)流試驗(yàn)時(shí)不同試樣間由于滲透速率不同而產(chǎn)生的相互影響。同時(shí)，為方便試驗(yàn)記錄，在真空袋表面標(biāo)記上垂直于滲透方向的刻度標(biāo)線，相鄰刻度線的間距為10mm。試驗(yàn)過程中，在室溫下注膠，記錄樹脂前鋒達(dá)到刻度線所需的時(shí)間，輔以攝像記錄每個(gè)試樣的注膠過程，方便后續(xù)分析研究。

圖3 NCF料片上鋪放的不同層數(shù)的銅網(wǎng)Fig.3 Different layers of copper meshes on the NCF laminates

圖4 打袋封裝后的5塊試驗(yàn)層板Fig.4 Five experimental laminates after bagging

每個(gè)試樣注膠結(jié)束后，立即打外層真空袋保壓。待所有試樣均注膠結(jié)束后，將體系轉(zhuǎn)移至固化爐中，保持外層真空袋壓力，在固化爐中，70℃固化1h。固化結(jié)束后，關(guān)閉加熱，隨爐冷卻。待試樣冷卻至室溫后，脫模清理。

2 結(jié)果與討論

2.1 引入銅網(wǎng)導(dǎo)流的VARI制件注膠情況分析

引入銅網(wǎng)后，試驗(yàn)中通過觀察試樣的注膠情況，可以明顯的發(fā)現(xiàn)銅網(wǎng)的引入起到了預(yù)期的導(dǎo)流作用。同時(shí)啟動(dòng)1層銅網(wǎng)導(dǎo)流和無(wú)導(dǎo)流的兩個(gè)試樣的注膠（兩試樣獨(dú)立注膠），如圖5（a）所示，盡管銅網(wǎng)較薄，僅約0.1mm厚，但其仍發(fā)揮了一定的樹脂導(dǎo)流作用，可以看到，在單層銅網(wǎng)的導(dǎo)流作用下，其樹脂的流動(dòng)前鋒明顯領(lǐng)先于無(wú)導(dǎo)流的試樣，領(lǐng)先約30mm。

圖5 引入銅網(wǎng)導(dǎo)流的VARI制件注膠情況Fig.5 Resin infusion of the VARI laminates with copper mesh as flow media

進(jìn)一步對(duì)比4層銅網(wǎng)和導(dǎo)流網(wǎng)兩個(gè)試樣的樹脂流動(dòng)情況，如圖5（b）所示，同時(shí)啟動(dòng)注膠后，4層銅網(wǎng)的樹脂流動(dòng)前鋒盡管流動(dòng)較快，但仍要落后于導(dǎo)流網(wǎng)，這主要是由于銅網(wǎng)和導(dǎo)流網(wǎng)的厚度差異所致，4層銅網(wǎng)厚度約0.4mm，僅為導(dǎo)流網(wǎng)厚度的1/2，而且從圖1試驗(yàn)材料的對(duì)比上也可以看到，由于試驗(yàn)材料的限制，試驗(yàn)所用銅網(wǎng)的孔徑明顯小于導(dǎo)流網(wǎng)，銅網(wǎng)更加致密，也導(dǎo)致其導(dǎo)流效果不及常用導(dǎo)流網(wǎng)。

在試驗(yàn)中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著銅網(wǎng)層數(shù)的增加，樹脂的流動(dòng)速度明顯加快，表1記錄了各個(gè)試樣的樹脂流動(dòng)前鋒到達(dá)50mm處的凈耗時(shí)，除了使用導(dǎo)流網(wǎng)外，4層銅網(wǎng)的試樣耗時(shí)最短，用時(shí)15s，僅為單層銅網(wǎng)耗時(shí)（116s）的1/8，為無(wú)導(dǎo)流試樣耗時(shí)（170s）的1/11。這也說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，隨著銅網(wǎng)層數(shù)的增加，其對(duì)樹脂的導(dǎo)流作用更顯著。對(duì)于銅網(wǎng)導(dǎo)流下的樹脂滲透率將在下文中作進(jìn)一步分析。

表1 各試樣樹脂流動(dòng)前鋒到達(dá)50mm刻線處的凈耗時(shí)

2.2 導(dǎo)流銅網(wǎng)層數(shù)對(duì)VARI制件樹脂滲透率的影響分析

在VARI成型工藝中，樹脂滲透率是一個(gè)重要的因素。滲透率表征了樹脂流過干纖維預(yù)成型體的難易程度，其值越大，表明樹脂流過預(yù)成型體的阻力就越小。由于導(dǎo)流介質(zhì)的引入，在預(yù)成型體材料及鋪層形式相同的條件下，尤其對(duì)于本試驗(yàn)的VARI層壓板試樣，分析滲透率也可以為導(dǎo)流介質(zhì)的導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)提供參考。

式中，Q為樹脂流量，ν為樹脂流速，A為橫截面積，Vf為纖維體積含量。

由式（1）～（3）可得，

對(duì)式（5）兩邊積分，可得：

由式（7）可以看出，當(dāng)其他試驗(yàn)條件一定時(shí)，樹脂流動(dòng)距離的平方與流動(dòng)時(shí)間的比例，可以反映出滲透率的大小[17-18]。由此，通過分析試驗(yàn)得到的樹脂流動(dòng)距離的平方與時(shí)間關(guān)系曲線，可以便捷地比較擬合曲線的斜率，斜率越大，對(duì)應(yīng)的滲透率越高，在本試驗(yàn)中，也可以認(rèn)為相應(yīng)的導(dǎo)流介質(zhì)的導(dǎo)流作用越好。這也是一種較便捷的試驗(yàn)方法，用以研究銅網(wǎng)引入對(duì)樹脂滲透率的影響。

將試驗(yàn)中各個(gè)試樣的樹脂流動(dòng)和時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到流動(dòng)時(shí)間-距離平方的關(guān)系圖，如圖6所示?？梢钥吹剑?、2、4層銅網(wǎng)導(dǎo)流及導(dǎo)流網(wǎng)對(duì)應(yīng)的各條曲線，呈較好的線性關(guān)系，表明試驗(yàn)結(jié)果較理想。而且，隨著銅網(wǎng)層數(shù)的增加，曲線斜率隨之上升，4層銅網(wǎng)導(dǎo)流下的樹脂滲透率最大。

進(jìn)一步對(duì)各條曲線進(jìn)行擬合，得到各試樣樹脂流動(dòng)的擬合曲線斜率比結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹剑?dāng)導(dǎo)流銅網(wǎng)層數(shù)較少、厚度較薄時(shí)，如本試驗(yàn)中的1～2層銅網(wǎng)，對(duì)應(yīng)曲線的斜率較小，其導(dǎo)流效果較差。當(dāng)銅網(wǎng)達(dá)到一定層數(shù)和厚度時(shí)，對(duì)應(yīng)曲線的斜率明顯提升，4層銅網(wǎng)對(duì)應(yīng)的曲線斜率是1層銅網(wǎng)的6倍，是2層銅網(wǎng)的5倍，其導(dǎo)流作用明顯提升，對(duì)應(yīng)樹脂的滲透率顯著增大。

圖6 各試樣的樹脂流動(dòng)距離的平方與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between the square of resin flow distance and time

圖7 各試樣樹脂流動(dòng)曲線擬合斜率的對(duì)比Fig.7 Histogram of the slope values under compare

2.3 引入銅網(wǎng)導(dǎo)流的VARI制件成型效果與表面質(zhì)量

最終制件的成型效果與表面質(zhì)量，是衡量引入銅網(wǎng)導(dǎo)流的VARI工藝效果的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)固化、脫模清理后得到的制件如圖8所示，可以看到，固化得到的各試樣表面質(zhì)量較好，未出現(xiàn)明顯的貧膠及干斑等缺陷，尤其表面銅網(wǎng)與制件貼合很好，即便4層銅網(wǎng)（圖8（c））仍能很好貼合。對(duì)比圖 8（a）、8（b）和 8（c），可以看到，隨著表面銅網(wǎng)層數(shù)的增加，其表面銅黃色逐漸加深，而且銅網(wǎng)表面均十分平整，在注膠、固化以及脫模清理的過程中，未發(fā)生損傷破壞，生產(chǎn)操作性較好。后續(xù)也將對(duì)制件的防雷擊性能開展進(jìn)一步的研究，進(jìn)一步完善該工藝的應(yīng)用準(zhǔn)備。

以上說(shuō)明，閃電防護(hù)銅網(wǎng)的引入，在VARI工藝的注膠過程中起到了很好的導(dǎo)流作用，能較好地滿足形狀較簡(jiǎn)單復(fù)材制件的VARI工藝制備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的制件表面質(zhì)量，而且該工藝技術(shù)具有較強(qiáng)的生產(chǎn)適用性。

圖8 使用導(dǎo)流介質(zhì)固化后的VARI層板Fig.8 VARI laminates using flow media after curing

3 結(jié)論

（1）在復(fù)材制件的VARI成型工藝中，閃電防護(hù)銅網(wǎng)的引入可以起到有效的導(dǎo)流作用。即便厚度較薄的單層銅網(wǎng)注膠過程中，亦可見其樹脂的流動(dòng)前鋒明顯領(lǐng)先于無(wú)導(dǎo)流的試樣。在一定范圍內(nèi)，隨著銅網(wǎng)層數(shù)的增加，其對(duì)樹脂的導(dǎo)流作用也更加顯著。

（2）本文采用一種較便捷的試驗(yàn)測(cè)試方案，通過記錄樹脂流動(dòng)前鋒到達(dá)試樣固定距離處所需的時(shí)間，并對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)結(jié)合推導(dǎo)的公式進(jìn)行處理，從而對(duì)引入銅網(wǎng)導(dǎo)流后銅網(wǎng)層數(shù)對(duì)樹脂滲透率的影響進(jìn)行了量化對(duì)比分析。研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著銅網(wǎng)層數(shù)的增加，其導(dǎo)流作用提升，對(duì)應(yīng)樹脂的滲透率增大。

（3） 引入銅網(wǎng)導(dǎo)流的VARI工藝所得到的固化制件銅網(wǎng)表面平整，且與制件貼合很好，制件表面質(zhì)量較高，該工藝技術(shù)具有較強(qiáng)的生產(chǎn)適用性。

參 考 文 獻(xiàn)

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