復(fù)合材料雙真空袋(DB)成型工藝研究

1、復(fù)合材料雙真空袋(DB)成型工藝研究來(lái)源：中國(guó)玻璃鋼綜合信息網(wǎng)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，應(yīng)用前景廣闊，但是由于目前較多地采用熱壓罐成型工藝制備，存在成本較高、制件尺寸受限制等因素，因此復(fù)合材料工作者不斷研究各種非熱壓罐成型工藝，其中真空袋成型工藝由于具有靈活、簡(jiǎn)便、高效等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。真空袋成型工藝的主要設(shè)備是烘箱或其他能提供熱源的加熱空間，其組裝方法一般與熱壓罐工藝類似。對(duì)于熱壓罐成型工藝，由于工藝過(guò)程中施加較高的壓力(通常為0.30.7MPa)，大部分材料中的孔隙通過(guò)真空系統(tǒng)逸出或隨著多余樹(shù)脂的流出而排出，剩余的孔隙發(fā)生壓縮、破碎并溶解在基體中，從而得到低孔隙含量的復(fù)合材料，

2、特別是不會(huì)遺留下大尺寸的缺陷。但是在真空袋成型工藝中，由于真空壓力最多為一個(gè)大氣壓，孔隙和揮發(fā)分只能通過(guò)逸出的方式排出，因此與熱壓罐成型工藝相比，預(yù)浸料鋪層中的孔隙和揮發(fā)分的處理是一個(gè)問(wèn)題，所制備材料的孔隙率通常為3%或更高，而高孔隙含量會(huì)直接影響到復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐濕熱性能。針對(duì)這一問(wèn)題，主要存在兩種技術(shù)路徑，一種是從樹(shù)脂體系入手，調(diào)節(jié)樹(shù)脂的流變特性，使孔隙和揮發(fā)分在預(yù)浸料凝膠前盡可能逸出；另一種途徑就是通過(guò)工藝措施的改進(jìn)，使預(yù)浸料中的孔隙和揮發(fā)分在制備過(guò)程中更容易排出，雙真空袋(DB)成型工藝就是這種途徑的有益嘗試。從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，美國(guó)NavalAirWarfareCenter和

3、NASALangleyResearchCenter就相繼開(kāi)展了多種樹(shù)脂體系和多種形式的雙真空袋成型工藝的研究14，雙真空袋成型工藝就是在預(yù)浸料毛坯上封兩層真空袋，兩層真空袋之間放置一導(dǎo)氣工裝，兩層均與真空系統(tǒng)連接，其原理就是在復(fù)合材料固化過(guò)程中，在預(yù)浸料處于B階段時(shí)，使預(yù)浸料鋪層暴露在真空中但同時(shí)并不承受任何壓實(shí)的作用力，從而促使預(yù)浸料毛坯中的孔隙和樹(shù)脂中的揮發(fā)分能夠很容易地逸出。本工作將通過(guò)對(duì)雙真空成型工藝的研究，對(duì)通常的真空袋成型工藝進(jìn)行改進(jìn)，以提高真空袋成型工藝制備的復(fù)合材料的品質(zhì)。1、試驗(yàn)采用LT203/T700SC復(fù)合材料體系，推薦工藝為：在室溫抽真空，以每分鐘23的速率升溫至75，

4、恒溫7h，然后以不大于0.5/min的速度冷卻至40以下取出制件。由于雙真空袋工藝只是在一定階段采用雙真空的模式，該階段的設(shè)置需要結(jié)合具體樹(shù)脂體系的流變特性和凝膠特性來(lái)研究確定。LT203樹(shù)脂體系的粘度-溫度曲線(升溫速率為2/min)如圖1所示，樹(shù)脂在30時(shí)具有較高的粘度，開(kāi)始升溫后粘度迅速下降，在約55時(shí)降至10Pa.s，然后一直到約90以前均處于一個(gè)低粘度區(qū)間。試驗(yàn)過(guò)程中分別在高粘度區(qū)和低粘度區(qū)進(jìn)行工藝設(shè)置如圖2所示，分別在30，55，65和75設(shè)置雙真空工藝平臺(tái)，以考察工藝對(duì)樹(shù)脂粘度的依賴性。同時(shí)進(jìn)行真空袋工藝的對(duì)比試驗(yàn)，然后根據(jù)分析測(cè)試結(jié)果來(lái)對(duì)工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。通過(guò)測(cè)試復(fù)合材料的層

5、間剪切強(qiáng)度來(lái)初步表征工藝過(guò)程對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用JC/T773-1982；通過(guò)超聲C掃描考察復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量，并結(jié)合光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察復(fù)合材料中孔隙含量和樹(shù)脂對(duì)纖維的浸漬情況。2、試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1DB工藝對(duì)層間剪切強(qiáng)度的影響對(duì)幾種工藝制備的復(fù)合材料測(cè)試厚度和重量，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢哉J(rèn)為DB2a，DB2b和DB2c工藝均未對(duì)材料固化過(guò)程的流膠和壓實(shí)產(chǎn)生顯著影響；而DB2d工藝由于設(shè)置的溫度平臺(tái)過(guò)高，恒溫60min后粘度迅速增加，如圖3所示，預(yù)浸料壓實(shí)不充分，導(dǎo)致復(fù)合材料板材偏厚，因此未繼續(xù)參與工藝的評(píng)價(jià)。層間剪切強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果如圖4所示，與普通真空袋工藝相比，當(dāng)在樹(shù)脂固化加熱

6、過(guò)程中的高粘度區(qū)間設(shè)置DB工藝平臺(tái)時(shí)，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度無(wú)明顯變化，而在55和65的低粘度區(qū)間設(shè)置DB工藝平臺(tái)后，二者的層間剪切強(qiáng)度分別由真空袋工藝的70.7MPa大幅度提高至85MPa和83.5MPa，因此可以初步認(rèn)為DB工藝的適當(dāng)設(shè)置顯著提高了LT-03/T700SC復(fù)合材料的力學(xué)性能。2.2復(fù)合材料板材質(zhì)量的分析圖5為復(fù)合材料板材的超聲C掃描圖像，可以發(fā)現(xiàn)超聲C掃描圖像與復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度具有非常明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，真空袋工藝和DB2a工藝制備的板材中有一些程度不等的缺陷，分別對(duì)應(yīng)層間剪切強(qiáng)度為70.7MPa和71.5MPa，相比較而言，DB2b工藝和DB2c工藝制備的板材內(nèi)部質(zhì)量較

7、好，層間剪切強(qiáng)度得到了顯著提高。這表明相應(yīng)DB工藝平臺(tái)的設(shè)置，使材料的內(nèi)部質(zhì)量得到較大的改進(jìn)。通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察可了解材料中介于微觀和宏觀尺度之間的缺陷構(gòu)成和分布狀況，如圖6所示，真空袋工藝和DB2a工藝制備的板材中存在較多數(shù)量的孔隙，尤其是富樹(shù)脂區(qū)內(nèi)的孔隙沒(méi)有充分排除，而DB2b和DB2c工藝制備的板材中孔隙很少。在通常的真空袋工藝制備的復(fù)合材料中，孔隙主要來(lái)源于樹(shù)脂配制過(guò)程中裹入的空氣、樹(shù)脂中的揮發(fā)分或小分子副產(chǎn)物以及預(yù)浸料鋪貼的操作過(guò)程中裹入預(yù)浸料片層之間的空氣。在鋪貼中預(yù)壓實(shí)操作和固化時(shí)抽真空雖然可以抽走大部分的空氣，但是由于預(yù)浸料通常具有一定粘性，預(yù)浸料片層會(huì)局部粘結(jié)在一起，而且真空對(duì)毛坯存在一個(gè)壓實(shí)作用，在一定程度上封閉了孔隙排出的通道，并且使預(yù)浸料毛坯內(nèi)部孔隙和毛坯外部的壓力梯度降低，減小了孔隙運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，因此毛坯中的部分孔隙難以排出而滯留在復(fù)合材料中構(gòu)成缺陷。而在DB工藝中，預(yù)浸料毛坯處于真空環(huán)境中且不存在壓實(shí)力的作用，因此孔隙運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力始終不低于一個(gè)大氣壓，當(dāng)溫度升高時(shí)，壓力梯度進(jìn)一步增加，有利于孔隙的排除，同時(shí)纖維束內(nèi)孔隙的排除也有利于樹(shù)脂對(duì)纖維束的浸漬。因此在樹(shù)脂粘度較低時(shí)引入DB工藝可以顯著降低復(fù)合材料的孔隙含量，使得采用真空成型工藝制備的板材的質(zhì)量能夠達(dá)到接近于熱壓罐成型工藝的