楊智勇 解永杰 張建寶 尚呈元 林 娜

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 中國科學院西安光學精密機械研究所，西安 710068）

文 摘 為了得到高形面精度復合材料層合板適用的成型工藝控制方法，本文針對典型的Φ500 mm 直徑曲面球冠結(jié)構(gòu)復合材料層合板，設(shè)計了6 組不同工藝參數(shù)的成型對比實驗，分析出邊緣效應(yīng)、鋪放方式、固化溫度等參數(shù)對層合板固化變形量的影響規(guī)律。研究表明，增加碳纖維模量和降低預(yù)浸料單層厚度可提高層合板形面精度；層合板鋪放尺寸超過直徑的5%可降低邊緣效應(yīng)的影響；自動鋪絲技術(shù)鋪放質(zhì)量一致性高，手工鋪層可以制造出高形面精度的層合板，但相對發(fā)生概率低；降低層合板固化溫度和降溫速率能夠有效地提高層合板的形面精度。實驗結(jié)論對復合材料高精度成型具有一定的指導意義。

0 引言

薄壁曲面層合板是常見的復合材料層合板結(jié)構(gòu)形式，也是空間天線反射面、光學系統(tǒng)反射鏡等結(jié)構(gòu)件最為常用的結(jié)構(gòu)組成件。隨著空間觀測、雷達探測等高精度技術(shù)發(fā)展的需要，薄壁曲面層合板結(jié)構(gòu)的形面精度要求越來越高，因此開展高形面精度層合板成型工藝研究顯得尤為迫切和重要。

樹脂基復合材料在升溫加熱固化過程中由于材料本身的各向異性、基體的固化收縮效應(yīng)以及工藝過程引起的材料分布梯度等因素，結(jié)構(gòu)內(nèi)部將不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進而引起復合材料構(gòu)件在脫模后產(chǎn)生回彈變形以及翹曲變形，使得構(gòu)件在室溫下的自由形狀與設(shè)計形狀存在一定的差異，即產(chǎn)生固化變形［1-2］。對于復合材料層合板，加熱固化就會發(fā)生熱變形，從而引起層合板的表面與理論設(shè)計形面不一致。。

復合材料層合板的形面精度是指固化后層合板，與其理論型面的面形差異的程度。對復合材料層合板的形面精度做出評估，目前最常用表征參數(shù)包括PV 值和RMS 值。PV 值是Peak to Valley（偏差峰值與谷值的差值），即峰谷值，表示面形偏差的最大差 值；RMS 是Root mean square（均方根值），表示面形偏差的離散性［3］。層合板表面誤差的RMS 值越小，表示被測表面越接近理論表面。

通常制備出的薄壁曲面復合材料層合板表面存在微翹曲形變，形面精度不高，不能滿足高精度層合板構(gòu)件的設(shè)計要求；采用機加工手段可提高其形面精度，但對于形面精度差的薄壁層合板來說，切斷纖維束會影響整個層板的力學性能，甚至引起更大變形。一般復合材料層合板的面形PV 值隨著層合板尺寸增加而增加，從而形面精度與尺寸成反比；層合板尺寸越大，則其形面精度越難提高。特別是對于大尺寸薄壁層合板，由于總厚度的限制，薄壁層合板本身剛性弱，提高其形面精度是滿足設(shè)計型面及尺寸公差要求的必需解決的關(guān)鍵問題，因此其成型工藝需要更加周全工藝設(shè)計和實現(xiàn)控制。

高形面精度層合板成型最根本的是控制層合板的固化后變形量；層合板變形量越小，則其形面精度越高。本文根據(jù)復合材料層合板的高形面精度要求，針對典型的Φ500 mm 直徑曲面球冠結(jié)構(gòu)復合材料層合板，設(shè)計了不同工藝參數(shù)的成型對比實驗，分析出邊緣效應(yīng)、鋪放方式、固化溫度等參數(shù)對層合板變形量的影響規(guī)律，得到高形面精度復合材料層合板適用的成型工藝控制方法。

1 實驗

1.1 薄壁曲面層合板工藝參數(shù)設(shè)計

本文研究的薄壁層合板直徑為Φ500 mm，曲率半徑為1 600 mm，總厚度為2.4 mm，為典型的球冠曲面結(jié)構(gòu)。為了分析不同工藝參數(shù)對層合板的形面精度的影響，復合材料層合板成型工藝實驗涉及材料、鋪層、固化的不同參數(shù)。成型使用的預(yù)浸料包括T700S/603、T700S/602、T700S/606 和M40J/602 共4 種單向碳纖維預(yù)浸料。預(yù)浸料的增強纖維是聚丙烯腈基碳纖維，分別是日本Toray 公司生產(chǎn)的T700S-12k標模碳纖維、國產(chǎn)M40J 級高模碳纖維。樹脂基體為航天材料及工藝研究所研制的高溫、中溫和低溫固化的改性環(huán)氧樹脂。這4 種單向預(yù)浸料的樹脂含量都為（34±3）%，預(yù)浸料單層厚度分常規(guī)的0.15 mm和超薄的0.075 mm。預(yù)浸料固化溫度180、130 和90℃。層合板固化制度設(shè)計的降溫速率≤60℃/h 和≤20℃/h。層合板的鋪層順序為準均勻準各向同性，對應(yīng)兩種預(yù)浸料單層厚度有［22.5/90/-45/-22.5/67.5/-67.5/0/45］S、［22.5/90/-45/-22.5/67.5/-67.5/0/45］2S；實驗采用的鋪放方式分手工鋪放和自動鋪絲兩種。根據(jù)不同設(shè)計參數(shù)，完成15 件復合材料層合板的成型工藝實驗，具體參數(shù)如表1所示。

表1 不同設(shè)計參數(shù)的曲面復合材料層合板Tab.1 Curved composite laminates with different design parameters

1.2 薄壁曲面復合材料層合板成型

高精度成型模具是高形面精度復合材料層合板制造保證。成型模具尺寸設(shè)計為直徑Φ600 mm，曲率與曲面層合板一致。模具材質(zhì)為Q235 結(jié)構(gòu)鋼，將Q235鋼坯料按照層合板尺寸進行切削、研磨，以及粗拋光、精拋光等加工，得到的模具面形PV 值達到10 μm內(nèi)，加工后的成型模具如圖1所示。

圖1 復合材料層合板成型用模具Fig.1 Mould for forming composite laminates

把碳纖維復合材料單向預(yù)浸料按設(shè)計的鋪層順序鋪疊在成型模具上。鋪放采用手工鋪層，借助輔助標尺對齊基準角度，盡量控制每層鋪層誤差在1.0°內(nèi)；采用自動鋪絲鋪放，憑借鋪絲精度可將每層鋪層誤差控制在0.5°內(nèi)。鋪放一定數(shù)量的預(yù)浸料片，并包覆真空袋將其抽真空壓實。

將完成鋪層的層疊料和模具包覆透氣氈、真空袋等輔助材料并放進熱壓罐，參考復合材料的樹脂基體的固化制度對其進行固化。固化結(jié)束后，從模具上脫出復合材料層合板，如圖2所示。

圖2 成型的復合材料層合板Fig.2 Formed composite laminate

1.3 曲面復合材料層合板形面檢測

在實驗中，使用高精度三坐標測量機完成復合材料層合板的面形數(shù)據(jù)。三坐標測量機的設(shè)備型號是Global advantage 1522，為美國海克斯康公司生產(chǎn)研制的設(shè)備。層合板面形數(shù)據(jù)檢測時，隨機從層合板表面采集80～100 個坐標點，后期整合計算所采集到的數(shù)據(jù)點，從而得到合板的面形PV 值和RMS 值。表1 列出了制造的上述不同設(shè)定參數(shù)的復合材料層合板的面形數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

通過對15件復合材料合板的面形數(shù)據(jù)的對比分析，得出碳纖維模量、預(yù)浸料單層厚度、邊緣效應(yīng)、固化工藝參數(shù)、鋪放方式等參數(shù)對于層合板形面精度的影響，從而得到適合高形面精度復合材料曲面層合板的成型工藝。

2.1 碳纖維模量

將15 件復合材料層合板的面形數(shù)據(jù)匯總（圖3）對比發(fā)現(xiàn)，從總體上來說，復合材料層合板的面形PV和RMS值是逐漸下降的趨勢。標模碳纖維作為增強纖維的層合板1-11 的面形PV 不低于0.08 mm，高模碳纖維作為增強纖維的層合板面形PV 不超0.060 6 mm，可見高模量碳纖維使得層合板結(jié)構(gòu)剛度均勻性增加，抵抗應(yīng)力變形能力增加，固化后變形量相應(yīng)減小，從而使得層合板形面精度提高。Φ500 mm 層合板的面形PV 值由實驗最初的1.31mm 降低至最低的0.034 mm，面形RMS 由0.251 8 mm 降低至最低的4.1 μm。層合板的面形數(shù)據(jù)降低了2個數(shù)量級，面形RMS達到4.1 μm；層合板的形面精度達到微米級。

圖3 制造的15件復合材料層合板面形數(shù)據(jù)匯總圖Fig.3 Summary of surface data of fifteen manufactured composite laminates

2.2 預(yù)浸料單層厚度

對于限定總厚度的層合板來說，降低預(yù)浸料單層厚度，則其鋪層順序相應(yīng)增加總鋪層數(shù)量，以保證總厚度不變。當層合板采用合適的超薄預(yù)浸料，在鋪層比例分配上具有更大的設(shè)計空間，更加體現(xiàn)出復合材料鋪層可設(shè)計性。

如表1和圖3所示，隨著預(yù)浸料單層厚度由0.15 mm 降低為0.075 mm，鋪層總層數(shù)由16 層增加為32層，層合板實測面形PV 值明顯減小。預(yù)浸料厚度減半，總鋪層數(shù)加倍使得層合板鋪層順序重排?？備亴訑?shù)的增加，減小了層合板的彎曲系數(shù)和彎曲/扭曲耦合系數(shù)，可通過增加鋪層順序設(shè)計優(yōu)化組合，從而提高層合板的形面精度。

根據(jù)準各向同性層合板理論，層合板為對稱鋪層順序時，正則化耦合剛度系數(shù)=0，正則化彎曲剛度系數(shù)為：

此時層合板的準各向同性會變得更為均勻，層合板的彎曲剛度分布更均勻，抗變形能力更強［4-5］。

表2 4組鋪層順序?qū)?yīng)的彎曲剛度的正則化幾何因子總平方和Tab.2 Sum of squares of the regularization geometric factor of bending stiffness with four stacking sequences

2.3 邊緣效應(yīng)

當預(yù)浸料只鋪放至層合板凈尺寸邊緣時，制造得到層合板的面形PV 值增加，形面精度受到影響；提高中心一定范圍內(nèi)復合材料層合板的形面精度，可以通過增加預(yù)浸料鋪放外延來實現(xiàn)；鋪放到一定尺寸時，層合板的形面精度趨于穩(wěn)定，我們稱這一現(xiàn)象為邊緣效應(yīng)。

從表1 可見，層合板4、5 的面形PV 和RMS 值均低于層合板1～3，這表明層合板鋪層時，只完成Φ500 mm 內(nèi)預(yù)浸料鋪放得到的層合板形面精度明顯差，也就是說層合板鋪層需要鋪放超過Φ500 mm，得到的層合板形面精度才能提高。

通常情況下，為降低邊緣效應(yīng)對層合板的形面精度影響，鋪層料鋪放尺寸最少超過直徑尺寸的5%，層合板4～15 則是按此完成預(yù)浸料的鋪放，獲得層合板形面精度相對高些。另外，增加鋪層外延需要制備超大的模具和鋪放更多的預(yù)浸料，增加了制造成本和人力成本。所以鋪放外延量需結(jié)合層合板結(jié)構(gòu)的尺寸和成本等因素綜合考慮。

2.4 預(yù)浸料鋪放方式

手工鋪層［如圖4（a）］是目前預(yù)浸料鋪放最常用的鋪層方式。為了盡可能的減小人為誤差的影響，采用輔助標尺幫助預(yù)浸料片對齊基準角度，這樣可將每個鋪貼預(yù)浸料的鋪層角度誤差控制在1.0°以內(nèi)。在曲面層合板預(yù)浸料的手工鋪層時，應(yīng)選用整塊裁切的預(yù)浸料片進行鋪放；鋪層時盡可能地減少拉拽預(yù)浸料，盡可能地減少纖維彎曲、變形等現(xiàn)象。

自動鋪絲鋪放［圖4（b）］能夠避免產(chǎn)生人為誤差，可以精準控制曲面層合板的鋪放角度，重復性高，鋪絲精度可以將每個鋪貼層的角度誤差控制在0.5°以內(nèi)。采用自動鋪絲鋪放預(yù)浸料時，根據(jù)預(yù)浸絲束數(shù)的帶寬制備相應(yīng)的預(yù)浸絲。之后鋪絲頭按照同一路徑設(shè)定將絲束鋪放于模具表面，鏡面鋪絲路徑不變；每一預(yù)浸絲層的鋪層角度通過旋轉(zhuǎn)模具分度盤調(diào)整，鋪層質(zhì)量一致性高。

圖4 Φ500 mm直徑復合材料層合板預(yù)浸料鋪放方式Fig.4 Layup methods of prepreg for Φ500 mm diameter composite laminates

層合板7 和13 是采用手工鋪層完成的預(yù)浸料鋪放，層合板9 和14 是采用自動鋪絲完成預(yù)浸料的鋪放。從表1 和圖3 可見，同樣條件下，通過角度標尺輔助定位的手工鋪層得到層合板的形面精度相對較低，其面形數(shù)據(jù)偏大；因為手工鋪層受人為誤差的影響更大，層合板的形面精度差一些。當然，不是手工鋪層復制得到的層合板形面精度一定比自動鋪絲完成的差，手工鋪層也能復制出高形面精度層合板，只是發(fā)生概率小一些。

2.5 固化溫度

從表1 和圖3 可見，隨著固化溫度的降低，層合板的面形PV 值相應(yīng)減小，其形面精度隨之提高。在每一層的預(yù)浸料中，碳纖維的拉伸模量比環(huán)氧樹脂的大得多；層合板的殘余熱應(yīng)力是固化時兩者性能不同所導致的，最后使層合板固化后產(chǎn)生微形變。固化溫度升高，層合板殘余熱應(yīng)力也隨之增加，它與固化溫度和室溫之間的差值成正比。因此當固化溫度越高時，層合板的固化后變形越大。

另外，將中溫固化復合材料的602樹脂的固化溫度降低20℃，同時延長固化時間2 h，制造的層合板面形數(shù)據(jù)與同一樹脂體系未降低固化溫度的面形數(shù)據(jù)對比可見，同樣復合材料體系，當復合材料的602樹脂固化溫度由130℃降低至110℃，層合板固化產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力少，固化時間的延長使得層合板固化度提高的同時能更多的釋放產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，從而固化溫度為110℃的層合板11 和15 的面形PV 值相應(yīng)減小。因此通過降低預(yù)浸料的固化溫度，適當延長固化時間可實現(xiàn)層合板形面精度的有效提高。

2.6 降溫速率

對于鋪層邊緣未補齊情況下成型的層合板1～3，當降溫速率從≤60℃/h 降低為≤40℃/h，再降低為≤20℃/h，復合材料層合板的面形數(shù)據(jù)隨之下降；對鋪層邊緣補齊情況下層合板8 和5，當降溫速率從≤60℃/h降低為≤20℃/h，層合板面形數(shù)據(jù)隨之下降。

復合材料層合板在固化溫度點保溫結(jié)束，開始降溫到出罐之間的這一階段是固化產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力的釋放階段。在整個降溫的過程中，殘余熱應(yīng)力的釋放收到降溫速率的影響。比如，降溫速率過快，固化產(chǎn)生的熱應(yīng)力不能得到完全釋放，層合板固化后變形會增加。通過降低降溫速率可以使熱應(yīng)力得到釋放，增加熱應(yīng)力松弛的效果，減小固化后變形。所以為了減小層合板的面形變化，在脫模前，應(yīng)盡可能將殘余熱應(yīng)力降至最低。

固化降溫速率從≤60℃/h 降低為≤20℃/h，降溫時間相應(yīng)延長了至少3 h，增加了固化熱應(yīng)力的釋放時間，增加了應(yīng)力松弛的效果，從而減小了層合板的面形數(shù)據(jù)。所以，降低降溫速率能夠提高薄壁復合材料層合板的形面精度。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計對比了6種工藝參數(shù)，通過上述的薄壁曲面復合材料層合板成型工藝實驗研究了不同工藝參數(shù)對層合板形面精度的影響規(guī)律，具體如下：

（1）增加碳纖維模量和降低預(yù)浸料單層厚度可提高層合板形面精度；降低預(yù)浸料單層厚度并增加總層數(shù)，給薄壁層合板的鋪層順序優(yōu)化提供了空間，可提高層合板結(jié)構(gòu)剛度分布均勻性；

（2）層合板鋪放預(yù)浸料片尺寸超過直徑的5%可降低邊緣效應(yīng)的影響，提高層合板形面精度；采用自動鋪絲技術(shù)鋪放預(yù)浸絲束的鋪層角度誤差小，鋪放質(zhì)量一致性高，有助于提高層合板形面精度RMS 值及精度一致性；采用輔助角度標尺對正的手工鋪層可以制造出高形面精度的層合板，但相對發(fā)生概率低；

（3）降低層合板固化溫度和降溫速率，減小了固化產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力，并增加了熱應(yīng)力松弛的效果，從而能夠有效地提高層合板的形面精度。

依據(jù)上述層合板形面精度的影響規(guī)律，從預(yù)浸料、鋪層實現(xiàn)和固化工藝3 個方面，總結(jié)出適合高形面精度薄壁曲面復合材料層合板的成型工藝：對于限度總厚度的薄壁復合材料層合板，采用高模量碳纖維制備的超薄單向預(yù)浸料，綜合考慮邊緣效應(yīng)影響，采用一致性高、低角度誤差的預(yù)浸料鋪放方式鋪放預(yù)浸料，優(yōu)化層合板固化溫度和降溫速率，可以獲得高形面精度的薄壁層合板。