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在復(fù)合材料加工制造中，其最終目標(biāo)是生產(chǎn)出具有一定樹脂纖維比且無空隙或缺陷的層壓板。在實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)時(shí)，預(yù)浸料層壓板常見問題主要包括表面氣孔、空隙、樹脂富集區(qū)、橋接以及其他缺陷。

這些問題通?？蓺w因于材料的選擇、鋪層或裝袋工藝、加工工具以及有時(shí)的設(shè)計(jì)問題。本文主要探討上述主要因素對(duì)預(yù)浸料、層壓板結(jié)構(gòu)孔隙的影響。

01 織物的形態(tài)結(jié)構(gòu)

平紋織物表面最嚴(yán)重，但它不是唯一一種容易產(chǎn)生表面孔隙的織物形式。3K平紋碳纖維織物看起來像防蚊紗（圖1），在其交叉點(diǎn)處的位置上本來就是開放的空間，當(dāng)在預(yù)浸過程中涂上樹脂時(shí)，如果樹脂從交叉點(diǎn)被拉走，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空隙或多孔區(qū)域。

圖 1.  3K 平紋碳纖維織物顯示出紗線交叉處的開放區(qū)域，這些區(qū)域被樹脂填充后易成為層壓板中的孔隙

圖2顯示出了兩種不同類型的織物表面，以及兩種織物形式之間孔隙大小的對(duì)比。該示例說明，可以通過對(duì)替代織物形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以大大減少表面孔隙率。

圖 2. 層壓板表面 3K 碳纖維交叉處的小空隙的顯微照片。注意孔隙周圍的“坑”，底部為6K 5HS 織物表面固有的小得多孔隙的相同比例顯微照片

02 蜂窩夾芯板

在共固化過程中，蜂窩芯在真空或壓力下的毛細(xì)作用傾向于將樹脂從表面層移向芯部，從而導(dǎo)致鄰近每個(gè)芯單元的多孔表面。在皮芯界面處添加粘合劑可能有助于降低孔隙率，但對(duì)結(jié)構(gòu)的重量有很大的影響。

對(duì)于2-4層的平紋織物來說尤其如此，因?yàn)槠郊y織物中幾乎沒有多余的樹脂（體積分?jǐn)?shù)約為40%）。其解決方案可以簡(jiǎn)單地添加一個(gè)超輕表面預(yù)制層的設(shè)計(jì)，而不是不斷地返工這些表面，其重量損失遠(yuǎn)小于額外的粘合劑，與重新加工多孔表面的工作量、成本和時(shí)間相比，其風(fēng)險(xiǎn)最小。

03 成型過程影響

許多復(fù)合材料制造商大多忽視的一個(gè)事實(shí)是，表面孔隙率可能與脫模表面的極低表面能有關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致樹脂排斥而不是潤濕表面，從而造成不必要的或過多的孔隙率。這可以通過選擇一個(gè)高表面能的脫模系統(tǒng)來緩解。

如果在零件的特定區(qū)域反復(fù)發(fā)現(xiàn)孔隙，則可能是由于缺陷區(qū)域附近的模具中存在擴(kuò)散泄漏。這需要對(duì)模具進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，并進(jìn)行維修或更換。從邊緣呈扇形的隨機(jī)分布的多孔區(qū)域很可能是由于袋中泄漏造成的，可通過更好的袋密封很容易地進(jìn)行補(bǔ)救。

另一個(gè)問題是金屬工具的熱傳遞率低，當(dāng)工具表面層剛剛變得活躍時(shí)，袋側(cè)層開始凝膠，導(dǎo)致在表面滯留空氣或氣體。這可以通過在固化配方中添加真空下的延長(zhǎng)停留時(shí)間來解決問題。

04 角部橋接

表面氣孔和空隙也可能出現(xiàn)在零件的小半徑或較大的凸出區(qū)域（模具中的凹面），其中拐角處出現(xiàn)橋接（圖3），或者層跨越模具中的凹槽（桶橋接）。層間由于缺乏局部壓實(shí)，從而在層間形成低壓區(qū)，導(dǎo)致層壓板中出現(xiàn)樹脂富集區(qū)或空隙。

圖 3. 由于鋪層和/或鋪層和加工過程中使用的輔助設(shè)備橋接而導(dǎo)致的角部空隙。

減輕這些缺陷需要仔細(xì)檢查鋪層尺寸、鋪設(shè)方法等，此外還必須不斷調(diào)整剝離層、薄膜層和透氣層，并確保有足夠的袋膜，以便在固化過程中使所有東西壓實(shí)（圖4）。

圖 4. 所有材料都經(jīng)過定制進(jìn)而在該部分的角落和低谷處進(jìn)行壓實(shí)：剝離層（左）經(jīng)過精心定制和固定，薄膜層（中）打褶，真空袋薄膜（右）打褶良好獲得壓實(shí)下面的層壓板

05 固化過程中揮發(fā)氣體

在固化過程中，層壓板中產(chǎn)生氣體的情況并不少見，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生有問題的孔隙。對(duì)于預(yù)浸料疊層中濕氣產(chǎn)生的膨脹氣體，通?？梢酝ㄟ^在固化前長(zhǎng)時(shí)間的減薄來緩解。

然而，固化過程中樹脂中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體要難緩解。與環(huán)氧樹脂不同，酰亞胺、酚醛樹脂和聚苯并惡嗪會(huì)產(chǎn)生氣體副產(chǎn)物，因此需要對(duì)這些反應(yīng)有更深入的了解才能解決這些問題。

預(yù)浸料樹脂的熱重分析（TGA）可用于確定特定溫度下與氣體析出相關(guān)的重量變化。使用這些數(shù)據(jù)，可以調(diào)整固化配方，改變升溫速率和等溫停留時(shí)間，以便讓氣體溢出并找到離開層壓板的路線。通過對(duì)真空和壓力的相應(yīng)調(diào)整，可使得氣體有時(shí)間排空或轉(zhuǎn)換回溶液中（圖5）。

圖 5. 改進(jìn)的固化配方，通過調(diào)整停留時(shí)間之間的斜率以及改進(jìn)的真空和壓力，以便有時(shí)間去除逸出的氣體

06 新材料開發(fā)

傳統(tǒng)上，對(duì)高壓滅菌器（OOA）友好的織物一側(cè)涂有樹脂，另一側(cè)是干燥的，以便在加工過程中為空氣和氣體提供內(nèi)部通道。Apogee Composites最近推出了一種全厚度可滲透預(yù)浸料，該預(yù)浸料在樹脂膜本身具有均勻的開口間距，允許層壓板內(nèi)部注入（圖6）。更多類似這樣的技術(shù)會(huì)使得料本身產(chǎn)生低空隙。

圖6. 預(yù)浸料樹脂薄膜層中的均勻間隙可實(shí)現(xiàn)厚度貫穿性和空氣/氣體排空