雷 婷，邵慧奇，1b，季小強，陳南梁，1b，蔣金華，1b

(1.東華大學 a.產業(yè)用紡織品教育部工程研究中心,b.紡織學院, 上海 201620;2.常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司,江蘇 常州 213135)

在無線電領域中,波導管是用于傳輸高頻電磁波的金屬導管或者內表面覆上金屬的空心管,波導管的結構通常為具有薄壁的空心方管或者圓管。根據波導管的工作原理可知,若其內表面的光滑程度較差,會造成電磁波在傳輸?shù)倪^程中產生散射損耗,極大地影響傳輸效率,而波導管成型工藝對其表面粗糙度產生直接影響。同時在通信衛(wèi)星領域,減輕衛(wèi)星質量能夠有效地降低發(fā)射成本,波導管作為衛(wèi)星重要元件之一,其向輕量化發(fā)展是必然趨勢。樹脂基復合材料具有質量輕、密度低、比強度高、比模量高、耐腐蝕等特點,在太空工作環(huán)境下既能保持尺寸穩(wěn)定性和剛性,又能滿足輕量化的要求,因此,有必要采取能降低表面粗糙度的成型工藝,從而制備樹脂基復合材料波導管,使其能夠滿足工作環(huán)境的要求并且達到減少電磁波傳輸損耗的目的。

與常見的黃銅波導管相比,相同結構尺寸的樹脂基復合材料波導管能減少80%的質量[1]。同時,樹脂基復合材料的比強度及比模量較高,與金屬鋼相比,其比強度為鋼的15～20倍,比模量為鋼、鋁等金屬的4～6倍[2]。樹脂基復合材料的增強體纖維一般采用碳纖維、玻璃纖維、芳綸等高性能纖維,其中碳纖維復合材料的力學性能優(yōu)于芳綸復合材料,且密度小于玻璃纖維復合材料,更能適應衛(wèi)星的工作環(huán)境。此外,根據增強體結構的不同,樹脂基復合材料可分為織物復合材料和單向布復合材料,其中,織物復合材料根據織物的組織結構不同分為平紋布復合材料、斜紋布復合材料等[3]。另外,復合材料的成型工藝主要有樹脂灌注成型工藝、真空輔助樹脂注射成型工藝、低壓接觸成型工藝、模壓成型工藝及層壓成型工藝等,其中,層壓成型工藝對溫度和壓力要求不高,產品的表面光潔度高且生產效率高。層壓成型工藝中采用的預浸料主要由碳纖維紗或者碳纖維布與樹脂經過涂覆、熱壓、冷卻、覆膜和卷取等工藝制成。碳纖維預浸料作為制成復合材料的中間產品,具有容易成型、便于加工、成型工藝所需設備簡單等特點。

樹脂基復合材料制件因成型工藝的不同而導致表面形貌的不同。Lukaszewicz等[4]研究表明,碳纖維復合材料制件的表面粗糙度與預浸料未固化之前的粗糙度及孔隙率有關。樹脂基復合材料制件的孔隙的來源主要有3類:一是在制備預浸料時裹挾進去的空氣,這類氣泡主要存在于預浸料的層內,由于制備工藝不同以及型號不同,預浸料孔隙率達2%～20%,孔隙的直徑為20 μm左右;二是在鋪設預浸料的過程中由于操作原因導致鋪設不平整使層間存在一定的氣泡部分,這類氣泡可以采用抽真空的方式進行有效去除,由于預浸料本身的透氣性差,因此不能完全去除這類氣泡;三是在預浸過程中,存在一定的揮發(fā)物從液態(tài)到氣態(tài)的相變,從而導致一部分氣泡的產生[5],氣泡在經過樹脂固化反應之后就會產生凹坑和孔洞。針對第一類氣泡的形成過程,Kim等[6]的研究表明預浸料裹挾的空氣導致的缺陷會隨著溫度的不同而發(fā)生變化。另外,有學者針對樹脂在纖維增強體中的流動行為進行研究,Cender等[7]對于樹脂在纖維增強體中的流動模式進行了試驗和模擬研究,結果發(fā)現(xiàn)樹脂在浸漬纖維體時分為3個步驟:(1)樹脂從交織的孔隙中流出,填滿織物中大部分孔隙;(2)樹脂受到外部壓力及模具同時作用,樹脂逐漸被擠壓,此時樹脂充分填滿孔隙并且開始浸入纖維束;(3)樹脂完全浸漬纖維束。Ma等[8]研究發(fā)現(xiàn),在樹脂浸漬纖維增強體的過程中,升高保溫溫度以及延長保溫時間能夠有效提高樹脂浸漬效果以及樹脂-纖維界面的纖維體積分數(shù)。Naito等[9]對預浸料中樹脂的流動機理進行研究,發(fā)現(xiàn)預浸料中的樹脂流動分為剪切流動與滲透流動,其中,剪切流動量由纖維增強體的彈性以及外部壓力決定,而滲透流動量主要取決于凝膠區(qū)域,當凝膠區(qū)域中的凝膠點形成時,滲透流動就會停止。目前對樹脂基復合材料制件的表面粗糙度的研究主要集中在成型過程中產生的氣泡所造成的孔隙對表面粗糙度的影響,針對樹脂流動的研究中往往沒有關注樹脂流動對復合材料制件表面形貌的影響。樹脂基復合材料成型中增強體結構、樹脂流動情況及工藝參數(shù)對表面粗糙度的精確控制和影響規(guī)律仍不夠明晰,因此需要進一步研究成型工藝與其表面粗糙度的相互關系。

本研究主要從碳纖維增強體結構以及工藝參數(shù)方面探究影響碳纖維樹脂基復合材料層合板(簡稱“復合材料層合板”)表面形貌的因素和規(guī)律,研究增強體織物結構及鋪設層數(shù)、鋪設方式、脫模劑、保溫溫度、保溫時間等因素對復合材料層合板表面粗糙度的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

采用碳纖維預浸料作為原料,預浸料中的碳纖維增強體為單向布、平紋布和斜紋布,其中,面密度為200 g/m2,纖維束的規(guī)格為3k,碳纖維類型為T300。預浸料所使用的樹脂為環(huán)氧樹脂,固化溫度為120～150 ℃。成品預浸料的面密度為323 g/m2,樹脂質量分數(shù)為38%～40%。

采用的模具為鋁制鏡面平板(鏡面的表面粗糙度為0.061 μm,涂抹脫模劑多次之后模具的表面粗糙度為0.054 μm)。脫模劑采用的是購自easy composites復材易購(北京)科技有限公司的耐高溫油性化學脫模劑(Easy-Lease200)。使用的主要儀器包括高溫烘箱和壓燙機,其中,壓燙機的壓力為325 N,由壓力檢測儀器檢測。

1.2 試樣制備

試樣制備工藝流程:首先將3種不同增強體的碳纖維預浸料裁剪為40 mm×40 mm的正方形,將其按照不同的鋪設方式和鋪設層數(shù)放置于鋁制鏡面模具上;然后抽真空,等真空處理結束后關閉閥門,直接帶著閥門從真空泵上卸下試樣,使其保持真空狀態(tài)并送入烘箱,然后進行加熱、保溫;最后從烘箱中取出試樣并在壓燙機上保溫保壓90 min,最終經過降溫脫模得到復合材料層合板。

1.3 測量方法

本文所有試樣的表面粗糙度均為試樣靠近硬質模具一面的表面粗糙度。在相同試驗條件下制備5塊試樣,分別在每塊試樣上隨機均勻取5個點,使用TR200型表面粗糙度儀分別測量這5塊試樣的點,共需測量25次,將這25個表面粗糙度值進行平均,得到該試驗條件下試樣的最終表面粗糙度。

2 結果與討論

2.1 不同碳纖維增強體及預浸料層數(shù)對表面粗糙度的影響

為了探究不同增強體種類以及不同鋪設層數(shù)對復合材料層合板表面粗糙度的影響,分別將單向布、平紋布、斜紋布預浸料從1層到6層進行鋪設制成復合材料層合板,并對它們的表面粗糙度進行測量及分析。

不同增強體種類預浸料及層數(shù)對復合材料層合板表面粗糙度的影響如圖1所示。由圖1可以看出:以單向布、平紋布、斜紋布預浸料為原料制備的試樣的表面粗糙度均隨著鋪設層數(shù)的增加而降低,其中,鋪設到6層時,單向布、平紋布及斜紋布復合材料層合板的表面粗糙度分別為0.609、0.303、0.329 μm,相比較鋪設層數(shù)為1層,三者的表面粗糙度分別下降了60.1%、90.0%、83.5%。由圖1還可知:在鋪設層數(shù)為1層的情況下,單向布復合材料層合板的粗糙度最小,為1.527 μm,平紋布復合材料層合板的粗糙度最大,為2.901 μm;而鋪設層數(shù)增加到6層時,平紋布和斜紋布復合材料層合板的表面粗糙度較小,單向布復合材料層合板的表面粗糙度最大,為0.609 μm。

圖1 不同增強體種類預浸料及層數(shù)對復合材料層合板的表面粗糙度的影響Fig.1 Impacts of different types of prepregs and different number of layers on the surface roughness of composite laminates

采用光學顯微鏡觀察復合材料層合板的表面形貌。隨著鋪設層數(shù)的增加,復合材料層合板表面樹脂覆蓋情況如圖2所示。通過提高圖像對比度,顏色深處為樹脂覆蓋富脂區(qū),顏色淺處為纖維暴露出來的貧脂區(qū)。由圖2可以看出:平紋布、斜紋布復合材料層合板表面形貌特征明顯,貧脂區(qū)往往出現(xiàn)在4個交織點中的孔隙處;而單向布復合材料層合板的貧脂區(qū)出現(xiàn)在單根纖維與纖維之間。由于碳纖維的折射率比樹脂的折射率高很多,所以能夠明顯區(qū)分出纖維暴露區(qū)和樹脂覆蓋區(qū)。利用MATLAB軟件計算出圖2中樹脂覆蓋區(qū)所在黑色色塊像素點與總體像素點的比值,將其用于表征復合材料層合板表面的樹脂覆蓋程度,稱為樹脂覆蓋率。表1為樹脂覆蓋率與復合材料層合板表面粗糙度的對比情況。由表1中可以看出:相較于鋪設1層平紋布和斜紋布預浸料,單向布預浸料的樹脂覆蓋率和表面粗糙度也較小;鋪設層數(shù)為6層時,樹脂覆蓋率從大到小依次為平紋布、斜紋布和單向布,表面粗糙度從小到大也為平紋布、斜紋布、單向布,呈現(xiàn)負相關關系。在鋪設層數(shù)較少與較多時,3種復合材料層合板呈現(xiàn)的表面粗糙度規(guī)律不同,其原因在于鋪設層數(shù)較少與較多時復合材料層合板的表面粗糙度的主要決定因素是不同的。

表1 復合材料層合板的表面樹脂覆蓋率與表面粗糙度對比Table 1 Comparison of surface resin coverage and surface roughness of composite laminates

圖2 不同鋪設層數(shù)的復合材料層合板表面樹脂覆蓋情況Fig.2 Surface resin coverage of composite laminates with different number of layers

隨著鋪設層數(shù)的增多,單向布、平紋布和斜紋布復合材料層合板的表面粗糙度均減小。這是因為每層的預浸料所含的樹脂經加熱加壓處理后,會通過纖維間的縫隙或者交織點之間的孔隙流到了層合板的表面,層數(shù)較少時,流向表面的樹脂量少,樹脂覆蓋率小,層數(shù)較多時,層合板表面的樹脂覆蓋率也會較大。不同種類增強體結構圖及樹脂流動通道示意圖如圖3所示。由圖3可以看出:單向布的樹脂只能在纖維束之間的縫隙中層間流動,平紋布和斜紋布存在孔隙,樹脂能在織物中通過孔隙以及纖維束之間縫隙進行層間流動,所以樹脂在平紋布和斜紋布中流動比較容易,滲透率較大,造成表面樹脂覆蓋率較大。鋪設層數(shù)為1層時,單向布復合材料層合板的表面粗糙度小于平紋布、斜紋布紋復合材料層合板的表面粗糙度。因為層數(shù)較少時,三者表面樹脂的覆蓋量都較少,纖維增強體大面積暴露在外,此時單向布中纖維束平整有序的優(yōu)勢較明顯,而平紋布和斜紋布存在交織點,交織點處的纖維束具有屈曲變化,這種交織的結構會導致表面粗糙度變大。當鋪設層數(shù)達到6層,流動通道更加通暢的平紋布、斜紋布復合材料層合板的表面樹脂覆蓋率變大,此時影響試樣表面粗糙度的主要因素為樹脂覆蓋率,所以平紋布、斜紋布復合材料層合板的表面粗糙度比較小。造成圖2中平紋布、斜紋布復合材料層合板與單向布復合材料層合板表面形貌區(qū)別明顯的原因在于平紋布、斜紋布與單向布的結構差異。平紋布和斜紋布中相鄰的4個交織點中間存在空隙或者相對厚度較小的凹坑,樹脂流動時更多黏附在纖維表面,纖維間孔隙處表面張力小且樹脂含量不足無處依附,導致平紋布、斜紋布復合材料層合板中存在孔洞;單向布的表面不平整情況通常會發(fā)生在單根纖維與纖維之間,樹脂通常只能依附在單向排列的纖維上或者浸入纖維內,因此表面存在沿著纖維束方向的樹脂不均的現(xiàn)象。

圖3 不同種類增強體結構及樹脂流動通道示意圖Fig.3 Structural diagrams of different types of fabric and resin flow pathway

2.2 預浸料不同鋪設方式對表面粗糙度的影響

由于預浸料鋪設方式不同會導致樹脂流動通道不同,因此,為了探究不同的鋪設方式對復合材料層合板表面粗糙度的影響,通過改變6層預浸料中2層預浸料種類的方式,設計6種具有不同鋪設方式的復合材料層合板。6種復合材料層合板的預浸料鋪設方式及其表面粗糙度如表2所示。

表2 6種復合材料層合板的預浸料鋪設方式及其表面粗糙度Table 2 Prepreg laying methods and surface roughness of 6 kinds of composite laminates

由表2可以看出:當與模具的接觸面為單向布預浸料時,將中間2層單向布預浸料換成平紋布預浸料后,復合材料層合板表面粗糙度下降了0.059 μm;當與模具的接觸面為平紋布預浸料時,將中間2層平紋布預浸料換成單向布預浸料后,復合材料層合板表面粗糙度增大了0.083 μm;當與模具的接觸面為斜紋布預浸料時,將中間2層斜紋布預浸料換成單向布預浸料后,復合材料層合板表面粗糙度增大了0.063 μm。試驗結果表明:內部層預浸料增強體結構的不同會造成樹脂流動通道的不同,進而影響樹脂的流動情況,最終影響試樣的表面粗糙度。但是,內部層預浸料增強體結構對復合材料層合板表面粗糙度的影響較小,主要的影響因素還是作為接觸面的預浸料增強體結構種類,如1#與3#、5#試樣相比較,采用不同增強體結構的預浸料作為接觸面,復合材料層合板表面粗糙度結果差異較大。

2.3 不同脫模劑層數(shù)對表面粗糙度的影響

為了探究不同脫模劑層數(shù)對復合材料層合板表面粗糙度的影響,將脫模劑在光面的鋁制模具上進行不同層數(shù)(1～6層)涂覆,待模具表面干燥之后鋪設6層平紋布預浸料制成復合材料層合板試樣,并測量它們的表面粗糙度。

不同脫模劑層數(shù)對復合材料層合板表面粗糙度的影響如圖4所示。由圖4可以看出:在脫模劑涂覆層數(shù)較少的情況下,試樣的表面粗糙度波動較大,其中:涂覆3層脫模劑的試樣與涂覆1層脫模劑的試樣相比,前者表面粗糙度下降了64.4%;當涂覆層數(shù)大于3層時,脫模劑層數(shù)對試樣表面粗糙度的影響較小,并且隨著脫模劑層數(shù)的增加,試樣的表面粗糙度基本無變化。在試驗過程中發(fā)現(xiàn),僅僅涂覆1層脫模劑時,試樣較難脫模,并且在脫模之后部分樹脂殘留在模具上導致碳纖維的暴露,從而降低試樣的表面光滑程度,有趣的是,這種現(xiàn)象隨著涂覆的脫模劑層數(shù)的增加而得到有效緩解。這是因為脫模劑能夠在模具和試樣間形成一層薄膜,而這層薄膜可以有效地保護固化后的層合板試樣表面樹脂的完整性。

圖4 脫模劑層數(shù)對復合材料層合板表面粗糙度的影響Fig.4 Impact of layers of release agent on surface roughness of composite laminates

2.4 預固化保溫溫度對粗糙度的影響

按溫度變化區(qū)分,可以將預浸料的層壓成型工藝分為5個不同的階段[10],具體溫度變化過程如圖5所示。在預固化階段(圖5中b～c階段),樹脂在增強體中滲透流動,將多層增強體通過樹脂基體黏合在一起以增強復合材料的層間性能,這個階段樹脂的流動性好,流動滲透比較活躍,此時的保溫溫度以及保溫時間決定樹脂流動的活躍程度。為了研究預固化保溫溫度對表面粗糙度的影響,將保溫溫度分別調設為70、80、90、100、110 ℃,并鋪設6層平紋布預浸料制備復合材料層合板試樣,然后測量它們的表面粗糙度。

圖5 層壓工藝的溫度變化過程Fig.5 Temperature change process of lamination process

預固化階段保溫溫度對復合材料層合板表面粗糙度的影響如圖6所示。由圖6可以看出,隨著保溫溫度的提高,試樣的表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,其中保溫溫度為90 ℃時,試樣的表面粗糙度最小。不同保溫溫度下的增強體內樹脂流動情況如圖7所示。由圖7可以看出:當預固化階段的保溫溫度為70 ℃時,樹脂的黏度大,樹脂自流動的活躍程度小,從而樹脂擴散范圍較小;在保溫溫度為90 ℃時,樹脂黏度小,樹脂擴散范圍較大;當保溫溫度升高到110 ℃時,樹脂沒有發(fā)生滲流現(xiàn)象,不存在樹脂脫離增強體的情況。

圖6 預固化階段不同保溫溫度對復合材料層合板表面粗糙度的影響Fig.6 Impact of different holding temperature on surface roughness of composite laminates in pre-curing stage

圖7 不同保溫溫度下增強體內的樹脂流動情況Fig.7 Resin flow within the reinforcement at different holding temperatures

樹脂在不同的溫度下呈現(xiàn)不同的黏度,并且由于樹脂黏彈性的改變,其流變特性也會隨溫度變化而變化[11-12]。通常認為樹脂在織物增強體間的流動過程遵循Darcy定律[13],如式(1)所示。

(1)

式中:Q為樹脂滲流量;K為增強織物的滲透性參數(shù);A為垂直于流動方向的橫截面積;Δp為流動路程L的壓力降;η為樹脂黏度,η=φ(t,T),其中t為預固化保溫時間,T為預固化保溫溫度。由式(1)可知,預固化的保溫時間和保溫溫度的變化會影響樹脂黏度的變化,進而影響樹脂在增強體間的滲透量。如果樹脂黏度過小,樹脂會從增強體向外滲出;反之,樹脂不能充分流動,并且很難均勻地黏附在碳纖維的表面上[14]。因此樹脂黏度應在一個有利的范圍內。當預固化階段的保溫溫度為90 ℃時,試樣表面粗糙度最小,這是因為此時樹脂黏度降低,樹脂流動滲透能力提高,造成試樣表面樹脂覆蓋率增大,從而降低其表面粗糙度。當保溫溫度為70 ℃時,樹脂流動性差,因此造成試樣的樹脂滲透率低,碳纖維未能被樹脂充分包裹住,從而導致試樣的表面粗糙度增大。當保溫溫度為110 ℃時,此時保溫溫度接近樹脂的固化溫度,固化反應加速,抑制了樹脂的充分滲透,也造成試樣表面樹脂滲透包覆不充分,進而導致試樣表面粗糙度增大。

2.5 預固化階段保溫時間對粗糙度的影響

樹脂的流動同樣受到預固化階段保溫時間的影響,為了探究保溫時間對復合材料層合板表面粗糙度的影響,通過設置預固化階段不同的保溫時間(10、20、30、40、50、60 min),分別在模具上鋪設6層平紋布預浸料制備復合材料層合板試樣,然后測量它們的表面粗糙度。

預固化階段保溫時間對復合材料層合板表面粗糙度的影響如圖8所示。由圖8可以看出,試樣的表面粗糙度隨著預固化階段保溫時間的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,其中保溫時間為30 min時試樣表面粗糙度最小。不同保溫時間下增強體內樹脂流動情況如圖9所示。隨著預固化階段保溫時間的增加,樹脂擴散范圍增大且漸漸脫離纖維增強體。

圖8 預固化階段不同保溫時間對復合材料層合板表面粗糙度的影響Fig.8 Impact of different holding time on surface roughness of composite laminates in pre-curing stage

圖9 不同保溫時間下增強體內樹脂流動情況Fig.9 Resin flow within the reinforcement at different holding time

由于選擇的預固化保溫溫度為90 ℃,樹脂黏度小,流動能力強,在這個溫度下,隨著時間的延長,樹脂能夠在層間充分流動,從而可有效填補孔隙。在保溫30 min的情況下,樹脂充分流動到試樣表面,表面樹脂覆蓋率的增加能夠減小試樣表面孔隙的數(shù)量和大小,同時樹脂不會過于脫離纖維有效區(qū)域,表面光滑程度達到最佳狀態(tài);保溫時間為60 min時,樹脂已經部分流失并且脫離了纖維有效區(qū)域,樹脂發(fā)生滲漏現(xiàn)象[15-16],產生大量孔隙,通過觀察試樣表面,可以看到部分纖維已經暴露,進而導致試樣的表面粗糙度增大。

3 結 論

為了制備內表面光滑、粗糙度小的碳纖維樹脂基復合材料層合板波導管,研究分析了碳纖維增強體結構、鋪設層數(shù)、鋪設方式以及預固化的工藝條件對復合材料層合板表面粗糙度的影響規(guī)律,得到以下結論:

——單向布、平紋布和斜紋布復合材料層合板的表面粗糙度均隨著鋪設層數(shù)的增多而減小。

——將單向布、平紋布和斜紋布復合材料層合板相比較發(fā)現(xiàn),隨著鋪設層數(shù)的增加,影響復合材料層合板表面粗糙度的主要因素從碳纖維增強體本身的平整程度變成樹脂流動通道。鋪設層數(shù)較少時,增強體本身的平整程度較高的單向布復合材料層合板粗糙度較小;鋪設層數(shù)較多時,樹脂流動通道更加順暢的平紋布和斜紋布復合材料層合板表面粗糙度較小。

——改變鋪設方式對復合材料層合板的表面粗糙度有一定的影響,采用不同增強體結構的預浸料作為接觸面,復合材料層合板表面粗糙度結果差異較大。

——從工藝的角度來看,脫模劑的涂覆層數(shù)大于3層時,對復合材料層合板的表面粗糙度影響不明顯;成型工藝的預固化保溫溫度為90 ℃、保溫時間為30 min時,樹脂的黏度最有利于其流動,因此復合材料層合板的表面粗糙度最小。