王松 閻超

[摘? ? 要]本文針對(duì)復(fù)合材料“帽型”、“J”型、“T”型的加強(qiáng)筋采用杜邦Kevlar29的縫合材料，面線為1200D、底線為600D，縫合密度（針距×行距）為6 mm×10 mm的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行縫合，使用RFI液體成型工藝固化該零件，最后對(duì)零件進(jìn)行100%超聲檢測(cè)和力學(xué)性能試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果表明，縫合液體成型零件內(nèi)外部質(zhì)量滿足工藝文件要求，且斷裂韌性、沖擊損傷容限和搭接連接件的強(qiáng)度得到了明顯的提升，可應(yīng)用于生產(chǎn)。

[關(guān)鍵詞]縫合;液壓成型;超聲檢測(cè)

[中圖分類號(hào)]V262 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）12–00–03

[Abstract]This article uses DuPont Kevlar29 suture material for composite material "hat-shaped"， "J"-shaped and "T"-shaped stiffeners. The upper thread is 1200D， the bottom thread is 600D， and the stitching density （stitch * row spacing） is The technical parameters of 6mm*10mm are stitched together， and the part is solidified using RFI liquid molding process. Finally， the part is subjected to 100% ultrasonic inspection and mechanical performance test. The test results show that the internal and external quality of the stitched liquid molded parts meets the requirements of the process documents， and the fracture toughness， impact damage tolerance and the strength of the lap joint have been significantly improved， which can be applied to production.

[Keywords]stitching;hydroforming;ultrasonic testing

由于復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、耐疲勞性和可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)得到域廣泛應(yīng)用[1-3]。復(fù)合材料縫合技術(shù)是針對(duì)傳統(tǒng)工藝方法不足而開(kāi)發(fā)的一種全新技術(shù)。其原理是通過(guò)縫合手段，將復(fù)合材料在垂直于鋪層平面的方向得到增強(qiáng)，從而提高材料層間損傷容限，穿過(guò)增強(qiáng)織物厚度方面的縫線能夠極大改善復(fù)合材料的層間性能。

雖然縫合技術(shù)歷史悠久并且發(fā)展迅猛，但是應(yīng)用在復(fù)合材料領(lǐng)域的時(shí)間較晚。復(fù)合材料縫合制備和研究于1980后，最先在美國(guó)、日本、澳大利亞以及歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始的。

20世紀(jì)80年代末，美國(guó)宇航局最先開(kāi)始實(shí)施先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究（ACT計(jì)劃），主要針對(duì)降低復(fù)合材料制造成本、提高復(fù)合材料損傷容限、縫合工藝參數(shù)、蜂窩設(shè)備等問(wèn)題進(jìn)行了全面研究。相對(duì)而言，我國(guó)復(fù)合材料縫合技術(shù)發(fā)展較晚，本文主要針對(duì)國(guó)內(nèi)常用T300材料加筋壁板類零件進(jìn)行縫合，采用液壓成型進(jìn)行固化，最后通過(guò)力學(xué)性能及超聲檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證縫合技術(shù)。

1 復(fù)合材料加筋壁板介紹

1.1 加筋壁板結(jié)構(gòu)以及原材料

制造“帽型”、“J”型、“T”型的加強(qiáng)筋，原材料采用我國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的T300。

1.2 復(fù)合材料加筋壁板縫合技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于三維紡織工藝，縫合復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)具有以下優(yōu)勢(shì)：①制作簡(jiǎn)單;②可以沿用原有的層合板的研究成果;③縫線的纖維體積含量往往只占很小的比例，卻能顯著的提高層合板的斷裂韌性、沖擊損傷容限和搭接連接件的強(qiáng)度等;④縫合技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料液體成型工藝還可提高制件成型的整體化程度;⑤縫合技術(shù)也可用于縫制大型構(gòu)建，通過(guò)縫合技術(shù)可以解決無(wú)法一次編織成型的大型異型件。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）外觀質(zhì)量：加筋壁板制件的表面應(yīng)光滑平整，表面無(wú)貧、富樹(shù)脂，表面纖維被樹(shù)脂均勻覆蓋。

（2）內(nèi)部質(zhì)量：超聲檢測(cè)分層、脫粘和孔隙類等缺陷均符合HB7224二級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

（3）厚度控制：理論厚度的±8%。

（4）外形公差：理論型面的-0.75～0 mm。

（5）斷裂韌性、沖擊損傷容限和搭接連接件的強(qiáng)度滿足相關(guān)材料技術(shù)規(guī)范。

2 復(fù)合材料加筋壁板縫合方案

2.1 帽型加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)

帽型加強(qiáng)筋的鋪層方式如圖1所示。根據(jù)冒型尺寸計(jì)算所需的織物尺寸為：310 mm×330 mm。根據(jù)織物的厚度以及所需復(fù)合材料厚度2 mm，設(shè)計(jì)鋪層數(shù)為5層。帽型縫合尺寸如圖2所示。

2.2 J型加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)

J型加強(qiáng)筋的鋪層方式為兩部分，200 ×330 mm，設(shè)計(jì)鋪層數(shù)為5層，分別將兩個(gè)5層合并后作為縱向筋中間部分縫合，然后底部等分各5層向兩側(cè)分開(kāi)，準(zhǔn)備縫合在底板上，根據(jù)要求的尺寸，計(jì)算得到J加強(qiáng)筋所需的織物尺寸如圖3所示。

2.3 T型加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)

根據(jù)模具圖紙，考慮加強(qiáng)筋與壁板縫合的尺寸，設(shè)計(jì)T型加強(qiáng)筋的鋪層方式為兩部分，T型梁縫合步驟為：裁布→平面鋪層→縱墻縫合→底面分開(kāi)兩側(cè)→底面縫合?？v檣與底面的縫合分開(kāi)進(jìn)行，縱檣的縫合轉(zhuǎn)換成平面縫合，按設(shè)計(jì)的行距要求縫合幾條縫線，以固定形狀，然后將底部翻開(kāi)形成T型，拐角處可填入增強(qiáng)纖維以防止出現(xiàn)富樹(shù)脂區(qū)，進(jìn)行底面的縫合。在縫合底面時(shí)，底邊較寬，鎖式縫合直接用夾頭固定底面進(jìn)行縫合;T型梁縫合如圖4所示。T加強(qiáng)筋所需的織物尺寸為：150 ×330 mm，設(shè)計(jì)鋪層數(shù)為5層，兩部分相同，T型縫合尺寸如圖5所示。

2.4 縫合示意圖

壁板需要容納縫合帽型、J型以及T型三種加強(qiáng)筋，尺寸為1 000×400 mm，碳纖維層數(shù)為6層。為了使冒型、J型以及T型三個(gè)加強(qiáng)筋的織物與模具更加貼合，防止出現(xiàn)架空情況，同時(shí)也便于縫合，需要對(duì)其進(jìn)行加熱定型。具體操作：鋪層—封袋—抽真空—加熱—冷卻?？p合線材料要有較好的力學(xué)性能、良好的延伸性和耐磨性，同時(shí)材料的性能在復(fù)合材料固化成型時(shí)能保持穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)中壁板的縫線材料采用杜邦Kevlar29，面線1 200D，底線600D。縫合增強(qiáng)了復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，使層間損傷機(jī)理發(fā)生改變，由原來(lái)的基體剪切破壞變成縫線的剪切和拉伸破壞。在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上并結(jié)合本試驗(yàn)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)最優(yōu)的縫合密度（針距×行距）為6 ×10 mm。

3 縫合液體成型加筋壁板的制備

3.1 制備過(guò)程

采用RFI液體成型工藝制備加筋壁板，纖維體積含量60%，厚度為1.2 mm，如圖6所示，基本流程如下。

（1）準(zhǔn)備階段主要包括模具清理、縫合纖維預(yù)成型體和輔助材料（脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)、密封膠、導(dǎo)流管等）的準(zhǔn)備、按預(yù)成型體的形狀鋪設(shè)密封膠條、涂覆脫模劑等。

（2）鋪層和密封階段在模具上依次鋪設(shè)縫合纖維預(yù)成型體、脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)、設(shè)置注膠和抽真空管道等，用真空袋將上述體系進(jìn)行密封并抽真空，且需保證密閉模腔內(nèi)達(dá)到預(yù)定的真空度。

（3）注膠和固化階段將樹(shù)脂適當(dāng)加熱并抽真空去除樹(shù)脂中的氣泡，加熱模具到60 ℃，將樹(shù)脂膠液（樹(shù)脂與固化劑按照一定質(zhì)量比）混合均勻并做抽氣泡處理，在真空負(fù)壓（-0.1 MPa）作用下將樹(shù)脂膠液灌注到密閉模腔，完全浸漬纖維預(yù)成型體，并在一定溫度下按照相應(yīng)固化工藝成型。

（4）脫模和后處理階段脫模，得到縫合復(fù)合材料層合板。

3.2 固化參數(shù)及實(shí)物

加筋壁板采用RFI液體成型固化曲線如圖7所示。

4 檢測(cè)

4.1 內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)

縫合液體成型加筋壁板內(nèi)部質(zhì)量主要通過(guò)超聲檢測(cè)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)設(shè)備為奧林巴斯MX2相共振，檢測(cè)探頭5 MHz（32晶片），檢測(cè)方式A掃描+B掃描。超聲檢測(cè)該零件內(nèi)部無(wú)脫粘、分層、夾雜、孔隙密集等缺陷，滿足工程技術(shù)要求。

4.2 力學(xué)性能及其他

通過(guò)RFI液體成型固化后的零件，經(jīng)過(guò)打磨等處理后，表面光滑平整，表面無(wú)貧、富樹(shù)脂，表面纖維被樹(shù)脂均勻覆蓋。零件的厚度控制以及外形公差等均滿足結(jié)果要求。通過(guò)液體成型固化后的零件，根據(jù)要求制作成合適的試樣的斷裂韌性、沖擊損傷容限和搭接連接件的強(qiáng)度相對(duì)于鋪貼成型的零件強(qiáng)度明顯得到提升。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)復(fù)合材料T300制成的“帽型”、“J”型、“T”型加強(qiáng)筋采用杜邦Kevlar29的縫合材料，面線為1200D、底線為600D，縫合密度（針距×行距）為6mm×10mm的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行縫合，使用RFI液體成型工藝固化該零件，最后對(duì)零件進(jìn)行100%超聲檢測(cè)和力學(xué)性能試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

（1）縫合液體成型零件固化曲線滿足工程設(shè)計(jì)要求。

（2）縫合液體成型零件內(nèi)外部質(zhì)量滿足工藝文件要求。

（3）縫合液體成型零件的斷裂韌性、沖擊損傷容限和搭接連接件的強(qiáng)度得到了明顯的提升，可應(yīng)用于生產(chǎn)。

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