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目前,在民用航空领域约90%复合材料结构采用热压罐工艺成型,热压罐工艺成型质量高,但制造成本也很高,大约占总成本的75%。低成本已经成为新一代复合材料的发展方向。真空辅助成型(vacuum assisted resin infusion,简称VARI)工艺是一种新型的大尺寸复合材料制件的低成本液体成型技术之一。其工艺原理是按照结构和性能要求制备好的纤维预成型体放置在模具上,在真空状态下排除纤维增强体中的气体,利用树脂的流动、渗透,实现对纤维及其织物浸渍,再经升温固化、冷却脱模得到能够承载的复合材料构件。由于VARI工艺是在一个真空压力条件下成型,不足以使纤维预成型体达到理想的密实状态,而且只采用单面模具,另一面为柔性真空袋,因此VARI成型复合材料的厚度不可以直接控制,纤维含量偏低,且由于压力梯度的变化导致厚度均匀性和批次稳定性较差,这些问题制约了VARI技术在航空结构上的应用。 本文针对我国大型客机C919中升降舵采用VARI成型过程中遇到的厚度稳定性较差,纤维体积分数较低,干斑缺陷等主要问题展开研究,揭示VARI成型厚度变化规律,并提出有效的厚度控制方法。主要研究内容与结果包括以下几个方面: (1)对两种 VARI工艺用单组份环氧树脂体系 Cycom890和EP2400进行了分析,根据树脂的流变特性研究,确定并预报了树脂体系在不同温度条件下的工艺窗口,考虑安全与成本等因素,两种树脂适宜在90℃下灌注,低粘度平台较长。经恒温和升温DSC研究得出树脂固化动力学特性,确定树脂最佳固化制度为180℃下保温两小时。 (2)采用无接触式电涡流位移传感系统,对复合材料真空辅助成型过程中厚度变化进行了实时监测。研究了在其它条件相同下,树脂粘度、充模距离、铺层厚度、铺覆导流网等对厚度稳定需要的最短抽真空时间的影响。结果表明,树脂注满并关闭树脂管以后,持续抽真空可有效提高真空辅助工艺成型纤维体积含量,且有利于减小沿树脂流动方向的厚度梯度;树脂粘度对厚度稳定所需要的最短抽真空时间影响最为明显,粘度越高需抽真空时间越长,充模距离、铺层厚度以及导流网对需要最短的抽真空时间影响相对较小。 (3)采用碳纤维无屈曲织物(NCF)和Cycom890和EP2400环氧树脂体系,制备了不同灌注温度、过流/过抽时间和预定型等不同工艺条件的层合板。对成型厚度和纤维体积分数的进行了测定,结果表明,对于Cycom890和EP2400环氧树脂体系,在90℃下灌注;过流和过抽约20min;在0.5MPa,110℃下热压预定型60min,得到的层合板纤维体积分数较高。 (4)按上述工艺条件对升降舵缩比件进行了试制,得到的制件表面无可见干斑缺陷,厚度均匀性较好,纤维体积分数有所提高,经无损 A扫描检测,满足要求,从而验证了这一工艺方案的可行性。该工艺方法最后应用于升降舵等比例样件的制备。