朱凱，王潔宇，沈超，陳曼玉，劉思達(dá)

(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300)

0 引言

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是由有機(jī)高分子基體材料與高性能纖維增強材料經(jīng)過特殊成型工藝復(fù)合而成的具有2相或2相以上結(jié)構(gòu)的材料，具有性能可設(shè)計、高比強度和比剛度、疲勞性能好、耐腐蝕、可整體成型和多功能一體化等優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)發(fā)展成為最重要的一類結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)功能一體化材料[1-2]。預(yù)浸料作為復(fù)合材料的中間材料，其物理性能和力學(xué)性能一般首先獲得關(guān)注，相關(guān)研究報道較多；而對于預(yù)浸料工藝性能如軟硬度等的研究，特別是定量表征的報道相對較少。隨著預(yù)浸料產(chǎn)量、用量的增大，工藝性能越來越受到客戶的關(guān)注，這主要是因為工藝性能關(guān)系到預(yù)浸料產(chǎn)品的使用，其優(yōu)劣直接影響預(yù)浸料是否“好用”。

預(yù)浸料的軟硬度是預(yù)浸料材料成型工藝性的度量。預(yù)浸料需要有足夠的軟硬度，以便能鋪貼較深的曲面，以及在曲面周圍能被壓均勻[4]。目前國內(nèi)外針對軟硬度的研究較少，在CMH-17復(fù)合材料手冊性[3]有相關(guān)定性的表述。定性判斷受主觀因素影響，無法與客戶的需求進(jìn)行有效對接，因此需要定量表征預(yù)浸料的軟硬度。

預(yù)浸料軟硬度的優(yōu)劣甚至直接關(guān)系到預(yù)浸料能否用于某些復(fù)雜構(gòu)型復(fù)合材料的制造。對于常規(guī)的手工鋪貼來說，預(yù)浸料偏硬在鋪放過程中不容易與工裝貼合；偏軟容易產(chǎn)生皺折,增大鋪敷難度。因此預(yù)浸料軟硬度在適宜的范圍內(nèi)，有助于提高預(yù)浸料的鋪貼效率。Crossley R J[5]等人將預(yù)浸料的黏性和軟硬度作為評價預(yù)浸料鋪層性能的主要因素。對于近年來興起的自動鋪帶技術(shù)而言，預(yù)浸料的軟硬度在一定程度上決定著預(yù)浸料能否用于自動鋪帶[6-8]。

目前尚無用于定量表征預(yù)浸料軟硬度的標(biāo)準(zhǔn)或測試方法，因此開展定量表征預(yù)浸料軟硬度及建立相應(yīng)測試方法十分必要。本文利用自行研制的設(shè)備對預(yù)浸料的軟硬度進(jìn)行定量表征，分析影響因素，確定預(yù)浸料軟硬度試驗方法的最佳測試參數(shù)，建立測試方法，并對方法進(jìn)行驗證。

1 試驗部分

1.1 原材料

3232A/S4C10-800中溫固化環(huán)氧窄帶預(yù)浸料：中航復(fù)合材料有限公司研制。

1.2 試驗設(shè)備

軟硬度測試裝置(圖1)，自行研制。

裝置包含可替換的芯軸、讀數(shù)面板(橫向標(biāo)尺和縱向標(biāo)尺，最小刻度為1 mm)以及防風(fēng)(塵)罩。

圖1 軟硬度測試裝置及芯軸

1.3 軟硬度實驗方法

測試原理為：把一定長度的試樣在其中點懸掛起來，測量懸掛點下標(biāo)準(zhǔn)距離處試樣兩端間的距離。預(yù)浸料的軟硬度體現(xiàn)了一定長度的預(yù)浸料在給定直徑芯軸上在重力下的垂墜程度，本試驗采用預(yù)浸料懸垂兩端距離對軟硬度進(jìn)行量化表征。把一定長度的試樣在其中點懸掛起來，測量在一定懸垂距離(60 mm)下懸掛試樣兩端間的距離(圖2)。為了使預(yù)浸料能平整地鋪放在設(shè)備上，加工了有一定長度的芯軸(圖1)，設(shè)計了讀數(shù)面板，包含了橫向標(biāo)尺和縱向標(biāo)尺，更加易于預(yù)浸料等片狀材料的讀數(shù)。將試樣的保護(hù)膜揭掉，對稱地放在測量軸上，放置一定的時間，進(jìn)行測量讀數(shù)。

圖2 預(yù)浸料軟硬度測試示意圖

1.4 軟硬度試驗方案

根據(jù)測試的原理，需要首先對測試環(huán)境、懸垂時間這些測試基礎(chǔ)條件進(jìn)行確定，然后對影響軟硬度試驗結(jié)果的芯軸直徑、試樣長度和放置時間等進(jìn)行分析，最后確定最佳測試參數(shù)。

1.4.1 試驗溫度濕度的選取

預(yù)浸料中的樹脂基體對溫濕度敏感，并會對預(yù)浸料的軟硬度產(chǎn)生影響。為了有效避免由溫濕度變化帶來的影響，需要對溫濕度進(jìn)行選取。分析比較預(yù)浸料生產(chǎn)環(huán)境、各主機(jī)廠所(凈化間)使用環(huán)境以及力學(xué)性能測試實驗室環(huán)境對溫濕度的要求，選擇各主機(jī)廠所預(yù)浸料使用環(huán)境要求(22 ℃±4 ℃，相對濕度30%～65%)，同時參考力學(xué)性能實驗室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境要求，加嚴(yán)溫濕度要求，暫定軟硬度的測試要求為(22 ℃±2 ℃，相對濕度40%～60%)?？疾鞙囟仍?0～24 ℃范圍是否對軟硬度測試有影響。通過測試之前將預(yù)浸料放置在相對濕度40%～60%環(huán)境下24 h用以消除濕度帶來的偏差。

1.4.2 懸垂時間的選取

當(dāng)試樣放置在芯軸上時，在重力的作用下，預(yù)浸料試樣會隨著時間下垂，懸垂的試樣之間距離的讀數(shù)也會隨著改變，最終在一定時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。因此，需要首先確定獲得穩(wěn)定讀數(shù)的懸垂時間。

1.4.3 軟硬度測試影響因素分析及正交試驗

考慮預(yù)浸料試樣長度、芯軸尺寸、放置時間等三個因素會對試驗有較大影響，故從上述幾個因素方面研究，對軟硬度測試的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

(a)芯軸直徑。根據(jù)軟硬度測試的原理，為了更好地表征預(yù)浸料的軟硬度，本文采用了直徑分別為10 mm、20 mm、50 mm的芯軸，有效區(qū)分預(yù)浸料在不同直徑(曲率下)的芯軸下的軟硬度數(shù)值，本文對上述三種直徑進(jìn)行試驗，研究不同芯軸直徑即不同曲率對預(yù)浸料軟硬度的影響。

(b)試樣長度。試樣的寬度為預(yù)浸料的規(guī)格寬度，考慮不同質(zhì)量的試樣懸垂效果不同，為了試驗的穩(wěn)定性，分別選擇了35 mm、45 mm、55 mm 三長度試樣進(jìn)行測試。

(c)放置時間。預(yù)浸料以纏繞的方式收卷在紙筒上，因此玻璃纖維預(yù)浸料取下后帶有一定程度的彎曲，會影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和分散性。研究發(fā)現(xiàn)，該彎曲形態(tài)在靜置一段時間可以消除，時間的長短需要確認(rèn)，保證其既能消除彎曲，又不會導(dǎo)致測試過長。因此預(yù)浸料放置時間需作為測試參數(shù)進(jìn)行研究。

2 試驗結(jié)果

2.1 溫度濕度的選取

本試驗分別測試了20～24 ℃下預(yù)浸料的軟硬度，測試結(jié)果如圖3所示。隨著溫度的升高，樹脂的黏度會變小，預(yù)浸料變軟，軟硬度測試平均值也隨之下降，說明溫度變化對預(yù)浸料軟硬度的測試是有影響的。因此在可操作的情況下，進(jìn)一步加嚴(yán)測試環(huán)境溫度范圍要求，選取溫度范圍22 ℃±1 ℃，濕度選擇40%～60%。

圖3 選定溫度范圍內(nèi)軟硬度測試的箱線圖

2.2 懸垂時間

為了確定穩(wěn)定讀數(shù)，試驗初步設(shè)定了0 s、30 s、1 min、2 min、3 min、4 min、5 min等7個懸垂時間，確定何時能夠獲得較穩(wěn)定讀數(shù)。分別記錄每種試樣在不同懸垂時間下的軟硬度測試結(jié)果，具體如圖4所示。

圖4 預(yù)浸料軟硬度與懸垂時間的關(guān)系

由圖4可知最初30 s讀數(shù)快速下降，此后變化趨于平緩，測試時間2 min時讀數(shù)基本達(dá)到穩(wěn)定，3～5 min后讀數(shù)無明顯變化。懸垂時間選擇為3 min。

2.3 正交試驗

根據(jù)對芯軸直徑、試樣長度和放置時間等因素的分析，本文進(jìn)行了正交試驗。對試樣芯軸直徑、試樣長度和放置時間3個變量因素，每個因素有三種水平，選用L9(33)正交表(表1)，按照表進(jìn)行正交試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析探討上述因素對軟硬度影響的大小。

表1 預(yù)浸料軟硬度正交試驗

續(xù)表

注A—芯軸直徑 1—10 mm 2—20 mm 3—50 mm

B—放置時間 1—1 min 2—3 min 3—5 min

C—試樣長度 1—35 mm 2—45 mm 3—55 mm

根據(jù)測試原理,為把規(guī)定長度的試樣在其中點懸掛起來，測量一定懸垂距離(60 mm)下懸掛試樣兩端間的距離，距離越短則預(yù)浸料越軟，反之則越硬。每種組合標(biāo)記進(jìn)行了三個批次(每批六個試樣)的試驗，測試結(jié)果見表2。

表2 預(yù)浸料軟硬度正交試驗結(jié)果分析

由表2可以看出，正交試驗結(jié)果的極差大小依次是：芯軸直徑>試樣長度>放置時間，因此對試驗結(jié)果影響較大的是測試時使用的芯軸直徑和試樣長度，而放置時間影響相對較小。從表2可以明顯看出組合2測試結(jié)果離散系數(shù)最小，測試狀態(tài)穩(wěn)定，說明測試最好的水平為A1B2C3。即芯軸直徑為10 mm，試樣長度為55 mm，放置時間為3 min。

3 試驗方法驗證

本試驗分別進(jìn)行了相同規(guī)格不同批次預(yù)浸料、不同規(guī)格預(yù)浸料、以及不同外置時間下的軟硬度試驗驗證。采用3232A/S4C10-800預(yù)浸料進(jìn)行驗證，3232A/S4C10-800/76/75.5/25中76代表纖維根數(shù)，75.5為預(yù)浸料寬度，25代表樹脂含量，3232A/S4C10-800/76/75.5/25可簡化表達(dá)為76/75.5/25。

3.1 預(yù)浸料測試驗證結(jié)果

同規(guī)格不同批次預(yù)浸料軟硬度驗證結(jié)果如圖5所示，測試結(jié)果顯示：不同批次間數(shù)據(jù)度差異較小，軟硬度數(shù)值較為一致，表明該測試方法測試狀態(tài)穩(wěn)定。

不同規(guī)格預(yù)浸料軟硬度驗證結(jié)果如圖6所示。不同規(guī)格的預(yù)浸料樹脂含量、寬度以及使用的纖維根數(shù)均不同，因此軟硬度測試結(jié)果有差異。另外，選擇了相同樹脂含量、不同纖維根數(shù)及寬度的預(yù)浸料進(jìn)行軟硬度測試。

圖5 同規(guī)格預(yù)浸料軟硬度測試結(jié)果

圖6 不同規(guī)格預(yù)浸料軟硬度測試結(jié)果

測試結(jié)果表明：預(yù)浸料軟硬度測試結(jié)果為14/21/25<76/75.5/25<36/26/25。這主要是由于在相同樹脂含量下，軟硬度跟單位寬度下纖維根數(shù)有關(guān)，根數(shù)越多軟硬度數(shù)值越大，預(yù)浸料越硬。單位寬度下纖維根數(shù)計算方法見表3。由表3可知，單位寬度下的根數(shù)為14/21/25<76/75.5/25<36/26/25，預(yù)浸料軟硬度測試結(jié)果也為14/21/25<76/75.5/25<36/26/25，三者趨勢相同。因此該軟硬度測試方法能夠有效區(qū)分不同規(guī)格下預(yù)浸料的軟硬度。

表3 3232A/S4C10-800預(yù)浸料軟硬度試驗測試結(jié)果

注 單位寬度下纖維根數(shù)計算方法：纖維根數(shù)/預(yù)浸料寬度。

3.2 外置時間對預(yù)浸料軟硬度影響

預(yù)浸料在室溫下有一定的貯存期，本試驗考察了3232A/S4C10-800/36/42/25預(yù)浸料在不同外置時間下預(yù)浸料軟硬度的測試情況。3232A/S4C10-800/36/42/25預(yù)浸料在分別放置0天、10天、20天和30天后進(jìn)行了軟硬度的測試，每種外置時間下進(jìn)行了5個批次的試驗，具體如圖7所示。

圖7 3232A/S4C10-800/36/42/25軟硬度測試箱線圖(在不同外置時間下)

測試結(jié)果表明：隨著預(yù)浸料外置時間的增加，軟硬度數(shù)值逐漸變大，預(yù)浸料逐漸變硬。這主要是由于預(yù)浸料在放置的過程中樹脂基體發(fā)生反應(yīng)，預(yù)浸料軟硬度值升高。軟硬度測試方法能夠定量表征出不同外置時間下軟硬度的變化趨勢(圖7)，說明該測試方法是合理可行的。

4 結(jié)論與總結(jié)

(1)本文自行研制了軟硬度的測試設(shè)備, 初步建立了預(yù)浸料軟硬度量化表征測試方法。

(2)在選定測試溫度和懸垂時間的基礎(chǔ)上，通過正交試驗確定了軟硬度定量表征測試的關(guān)鍵參數(shù)：芯軸直徑為10 mm，試樣長度為55 mm，放置時間為3 min。

(3)軟硬度試驗方法驗證表明：同規(guī)格不同批次間數(shù)據(jù)差異較??；不同規(guī)格數(shù)據(jù)差異較大；隨外置時間延長預(yù)浸料軟硬度增大。上述結(jié)論與通常認(rèn)知相同，說明該方法可用于預(yù)浸料軟硬度測試。