蜂窝预成型法制造蜂窝夹层结构件_杨羽飞

第36卷 第3期2011年6月

高科技纤维与应用

Hi-Tech Fiber & Application

V ol.36 No.3Jun. 2011

蜂窝预成型法制造蜂窝夹层结构件

杨羽飞，翟全胜，孙 玺，叶宏军（北京航空材料研究院，北京 100095）

摘 要:采用蜂窝预成型方法制造了蜂窝A 夹层结构制件，通过对外观、厚度、平拉强度和内部质量的检测，结果表明，蜂窝预成型方法能够有效地解决制件因成型压力过大而导致的蜂窝芯侧向塌陷问题，是一种非常有效的工艺方法。关键词:复合材料；蜂窝夹层结构；共固化；蜂窝预成型

中图分类号: V261.97 文献标识码: A 文章编号: 1007-9815（2011）03-0027-04

Honeycomb Preformed Curing Methods Manufacturing

Honeycomb Sandwich Structure

Y ANG Yu-fei, ZHAI Quan-sheng, SUN Xi, YE Hong-jun(Beijing Institution Of Aeronautical Materials, Beijing 100095 China)

Abstract: A type honeycomb sandwich structure was fabricated by preformed curing method. The appearance, thickness, flat tension strength and internal quality inspection results showed that successfully avoided the honey-comb core lateral collapse which leaded by big molding pressure and proved this method is a effective technologi-cal process.

Key words: composite material; honeycomb sandwich structure; co-cure; honeycomb preformed curing

蜂窝夹层结构由于具有质量轻、抗弯曲刚度大以及材料利用率高等特点，在航空航天领域得到了广泛的应用，如火箭壳体、尖端整流罩、飞机襟翼、机翼前缘、副翼、地板等均可采用蜂窝夹层结构[1～5]。

对于两层蒙皮一层蜂窝的A 夹层结构来说，常在蜂窝芯与蒙皮之间采用胶粘剂胶接而成。在目前被航空航天领域广泛采用热压罐成型工艺中主要有3 种工艺成型方法，根据具体制件形状和特征可以分为二次胶接成型、二步法共固化成型及一步法共固化成型[6]。对于全封闭式蜂窝芯填充制件而言，一般采用一步法共固化方法。然而，蒙皮和蜂窝芯材在共固化成型时所需的压力是不一致的，较小的成型压力会导致蒙皮性能偏低，而过大的成型压力会导致蜂窝芯压塌。针对这种情况目前有两种解决方法：一是提高成型蒙皮预浸料的树脂流动度以适当降低蒙皮成型压

1.1 主要材料

高温环氧树脂碳纤维平纹织物预浸料，北京航空材料研究院产。

力；二是选择较大密度或较小孔径的蜂窝芯材来提高共固化时蜂窝芯的抗压能力。然而，在目前航空航天科研生产实际中，大多需要提高树脂的韧性指标从而降低树脂流动度，并且为求减轻质量而选用低密度大孔径的蜂窝芯材，这样就导致一步法共固化成型时不同材料对不同成型压力需求的矛盾愈演愈烈[7]。本研究介绍了一种新的蜂窝预成型方法，通过提高蜂窝芯材的侧向抗压能力来达到增大成型压力的目的，并通过对比试验及对制件外观、厚度、抗平拉强度和内部质量的检测结果来验证该方法的可行性。

1 实验部分

收稿日期: 2011-06-20

作者简介: 杨羽飞（1984-），男，贵州安顺人，助理工程师，研究方向为结构复合材料，(电话)010-62496582(电子信箱)[email protected]。

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高科技纤维与应用

第36卷

Nomex 蜂窝芯材NH-1-2.75-48，厚度20 mm ，北京航空材料研究院产。

板-芯结构胶粘剂J-116A ，厚度0.35～0.40

mm ，面密度(420±30) g/m2，针织尼龙纱网载体膜状，黑龙江石化研究院产。1.2 技术要求

本次试验拟通过制造一种典型A 夹层结构制件，并对其具体性能提出如下技术要求：

⑴制件外观。制件表面应当均匀连续，蜂窝填充区无明显塌陷区域和侧向凹陷。

⑵制件厚度。蜂窝夹层区域厚度公差为理论值的±3%；层压板区厚度公差为理论值的±5%。

⑶抗平拉强度。随炉按照G B/T 1452-2005《夹层结构平拉强度试验方法》标准制造平拉标准试样。试样尺寸60×60 mm ，单次试样数量6 件。抗平拉强度值为不低于1.83 MPa ，破坏方式为蜂窝芯破坏。

⑷内部质量。根据GJB1038.1A-2004《纤维增强复合材料无损检测方法 第1部分 超声波检验》的要求，采用喷水式脉冲穿透法，对制件蜂窝夹层区域进行内部质量检测。对＞φ6 mm 的缺陷进行记录，不允许检出＞φ12 mm 的缺陷，且相邻缺陷间距不能＜100 mm ；

根据GJB1038.1A-2004《纤维增强复合材料无损检测方法 第1部分 超声波检验》的要求，采用水浸式脉冲反射板法，对制件层压板区域进行内部质量检测，对＞φ3 mm 的缺陷进行记录，不允许检出＞φ6 mm 的缺陷，且相邻缺陷间距不能＜100 mm 。1.3 试验介绍

⑴ 制件介绍

采用一步法共固化成型工艺制作如下A 夹层结构制件（见图1），具体参数如下：

① 制件尺寸。制件长1 000 mm ，制件宽500

mm ，蜂窝芯长920 mm ，蜂窝芯宽360 mm ，蜂窝芯高20 mm 。

② 铺层顺序。

上蒙皮：45˚/0˚/45˚/0˚/45˚/45˚/0˚/45˚/0˚/45˚下蒙皮：45˚/0˚/45˚/0˚/45˚/45˚/0˚/45˚/0˚/45˚中间填充蜂窝芯材

蜂窝夹层区厚度理论值为24.60 mm ，公差范围为(24.60±3%) mm ；制件层压板区厚度理论值为4.60 mm ，公差范围为(4.60± 5%) mm 。

⑵ 蜂窝预成型方法介绍

蜂窝预成型方法就是采用胶膜与蜂窝芯材预先固化，形成预成型体（见图2）。此时蜂窝芯上下表面为固化后的胶膜，极大的提高了蜂窝芯的抗侧向压力的能力。同时，由于蜂窝芯固化后不易变形，易于对蜂窝芯进行机械加工，形成锐型面。最后，将加工好的蜂窝预成型体表面再覆上一层胶膜与蜂窝夹层结构内外侧湿态蒙皮一起胶接共固化成型。

蜂窝预成型工艺：固化温度为(180±5) ℃，保温时间为0.5～1 h ，成型压力为0.1～0.15 MPa 。

⑶ 试验方案

为达到对比试验效果，制造该A 夹层制件采取如下两种成型工艺：

方案1：传统蜂窝夹芯结构共固化成型方法，不采用蜂窝芯预成型方法；方案2：新型蜂窝夹芯结构共固化成型方法，采用蜂窝芯预成型方法。高温环氧碳纤维织物预浸料基本固化工艺条件：固化温度为(180±5) ℃，保温时间为2 h ，成型压力为0.3～0.6 MPa 。

按照下蒙皮叠层板/胶膜/蜂窝芯预成型体/胶膜/上蒙皮叠层板的顺序铺贴试验件，并根据预浸料固化工艺确定本次试验固化温度为(180±5) ℃，保温时间为2 h ，成型压力由0.3 MPa 开始以0.05

MPa

真空袋透气毡上模板

无孔膜剥离布胶膜密封胶条

蜂窝芯胶膜剥离布无孔膜模具

图1 蜂窝夹层结构试验件图2 蜂窝芯预成型工艺制备方式

间隔逐步加大，直至出现蜂窝失稳塌陷为止。塌陷和轻度侧向凹陷的现象（见图6）。

外观检测结果汇总见表1。

通过对制件外观和厚度的检测可以看出，采用传统方式进行A 夹层结构制件的共固化成型工艺，蜂窝芯子无法承受0.3 MPa 的成型压力，发生了较明显的蜂窝芯子侧向凹陷的现象，而采用了蜂窝预成型工艺的共固化工艺可以承受0.35 MPa 的成型压力而保证蜂窝芯子不发生塌陷现象。2.2 厚度检测

对成型后制件进行厚度检测，检测结果如下见表2。

通过对制件的厚度检测可以发现，在3 种固化压力下，制件层压板区的厚度指标都在理论值±5%，即(4.6±0.23) mm 的范围内，但随着固化压力的增大，厚度值逐渐减小趋近于理论值；制件蜂窝填充区的厚度指标都在理论值±3%，即（24.60±0.74）mm 的范围内，但由于方案2

采用

2 结果与讨论

2.1 不同压力成型后试验件状态

⑴ 固化压力为0.3 MPa

试验中可以看出，采用方案1成型的试验件由于蜂窝高度较高（20 mm ）抗侧压能力弱，已经明显出现侧向压塌的情况（见图3）。

采用方案2成型的试验件，未发生蜂窝塌陷及侧向压塌的情况（见图4）。

由于在0.3 MPa 成型试验中，采用方案1成型的试验件已经发生蜂窝侧向塌陷的情况，后续试验只采用方案2成型。

⑵ 固化压力为0.35 MPa

采用方案2成型的试验件，固化时成型压力采用0.35 MPa 。固化成型后，试验件蜂窝填充区界限明显，未发现蜂窝塌陷和侧向压塌的现象（见图5）。

采用方案2，固化室成型压力采用0.4 MPa 固化成型后，发现试验件蜂窝区域出现了局部蜂窝

图4 成型压力0.3

MPa时方案2成型试验件状态

图3 成型压力0.3

MPa时方案1成型试验件状态

图6 成型压力0.4 MPa时方案2成型试验件状态

图5 成型压力0.35 MPa时方案2成型试验件状态

表1 外观检测结果

固化压力\固化工艺

0.30 MPa 0.35 MPa 0.40 MPa

使用方案1检测后外观

蜂窝侧向凹陷

——

使用方案2检测后外观

正常 正常蜂窝塌陷

表2 厚度检测结果

固化压力\固化工艺

平均值/mm度平均值/mm平均值/mm度平均值/mm

0.30 MPa 0.35 MPa 0.40 MPa

24.35——

4.78——

25.2124.9624.87

4.764.694.63

的蜂窝预成型工艺在蜂窝芯材的上下表面各预先固化了一层胶膜，导致在制件蜂窝区的总厚度偏差偏上限，但仍在技术要求限定的范围之内。2.3 抗平拉试验结果

对3 种固化压力下成型的试样进行抗平拉强度检测，结果如表3。

表3 抗平拉强度试验结果

固化压力/MPa0.300.350.40

抗平拉强度/MPa方案11.97——

方案22.022.702.76

破坏方式方案1蜂窝破坏——

方案2蜂窝破坏蜂窝破坏蜂窝破坏

较低，高度较高，蜂窝芯材在受压时易失稳，因此在固化时蜂窝芯的抗压能力较弱。如果蜂窝芯的采用孔径较小、密度较大或是采用15 mm 厚或是10 mm 厚的蜂窝芯材，固化时则应该可以承受更大的成型压力。

⑶ 在采用蜂窝预成型方法时，由于蜂窝芯上下表面各固化了一层胶膜，在制件最终胶接共固化后会导致制件增重；同时由于胶膜厚度的原因，也会使得制件的蜂窝夹心区的厚度增加。为解决此类问题，可以在胶接共固化时采用面密度较小的胶膜，或是采用预浸料富树脂层来代替胶膜。

通过抗平拉试验结果可以看出：

⑴ 采用蜂窝稳固方式成型试验件胶膜与蜂窝制件粘接力良好，稳固蜂窝芯与胶接胶膜之间粘接力良好，胶膜与蒙皮制件粘接力良好，满足蜂窝夹层结构制件的抗平拉强度要求及破坏方式要求。

⑵ 固化压力对抗平拉强度有影响，适当提高固化压力可以提高抗平拉强度。在本次试验条件下，固化压力从0.35 MPa 升至0.4 MPa 时抗平拉强度值变化不明显。2.4 无损检测情况

仅针对方案2成型的试验件进行无损检测，结果如表4：

表4 无损检测结果

固化压力/MPa

0.300.350.40

检测方法超声C扫描/超声A扫描超声C扫描/超声A扫描

检测结果合格合格

3 结论

⑴ 相对于传统一步法共固化成型工艺而言，采用蜂窝预成型工艺方法可以有效解决蜂窝芯在固化过程中的侧向塌陷问题。

⑵ 采用蜂窝预成型方法可以通过提高固化压力来达到提高固化时树脂流动度的目的，从而得到厚度适宜的制件。

⑶ 采用蜂窝预成型方法没有降低蜂窝芯和蒙皮之间的粘接性能，满足了蜂窝A 夹层结构制件抗平拉强度的要求。

⑷ 采用蜂窝预成型方法不会对蜂窝的内部质量产生不良影响，可以得到合格的制件。

综上所述，蜂窝预成型工艺可以广泛适用于各种蜂窝夹层结构共固化制件成型，尤其是树脂流动度比较差的树脂体系，在提高蜂窝夹层结构制件共固化成型压力的基础上，有效的防止了蜂窝芯侧向塌陷的情况，改善了蜂窝夹层结构层压板区成型压力过小的状态，提高了制件的质量，是一种有效的蜂窝夹层制件共固化成型工艺方法。

超声C扫描/超声A扫描层压板区合格，蜂窝塌陷区不合格

2.5 相关问题讨论

⑴ 通过试验数据的对比结果可以看出，在0.35 MPa 时的固化压力下，采用蜂窝芯预成型工艺的共固化成型工艺无论从外观、厚度、抗平拉强度和内部质量都满足了制件的设计要求。因此，在此次试验状态下，采用0.35 MPa 压力通过蜂窝芯预成型工艺成型此A 夹层结构制件是可行的。

⑵ 本实验采用的是牌号为NH-1-2.75-48，高度为20 mm 的蜂窝芯，由于蜂窝孔格较大，密度

参考文献：

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[2] 梁滨. 蜂窝夹层结构面板胶粘剂的研究[J]. 中国胶粘

剂, 2000(5): 11-13.

（下转第33页）

4442抗破断拉力/k

N

4038363432

15.5

16.0

16.5纤维用量/g

17.0

17.5

抗破断拉力/k N

[**************]1

15.415.615.816.016.216.416.6

纤维用量/g

图1 静态试验中绳索样品抗破断拉力

与纤维用量的关系图2 绳索样品疲劳试验后破断拉力

与纤维用量的关系

图1和图2的结果表明，对于未进行预牵伸的低捻度高强P E 纤维绳索，其抗破断拉力随其纤维用量的增加而增大；反之，在该实验范围内的绳索样品纤维用量的微量变化，对于疲劳试验后的预牵伸低捻度高强P E 纤维绳索，则呈现出绳索的抗破断拉力随其纤维用量的增加而降低的趋势，虽然随着纤维用量的提高预牵伸绳索的抗破断拉力增幅降低，但仍高于未牵伸绳索的抗破断拉力。分析认为，由于销钉与绳索套环接触端面的不完全吻合，在疲劳试验过程中，绳索中部分纤维随着疲劳试验次数的增加而逐渐趋于销钉接触面吻合，破坏了绳索中组成纤维的整体承载能力，因此相对于纤维用量低的绳索能够快速调整以适合张紧状况的接触端面，其疲劳试验后的纤维长度参差更显著一些，因此呈现图2的趋势。预计当绳索套环弧面与销钉接触面吻合时，亦即采用弧面过渡接触，纤维用量较高绳索中纤维长度参差将会明显减弱，其抗破断强力亦将会随着纤维用量增加呈现增加趋势。

的负荷进行反复拉伸的疲劳试验后，可显著提高低捻度高强PE 纤维绳索的抗破断拉力，这将对低捻度高强PE 纤维绳索制备及其应用具有重要的指导意义。

⑵ 采用绕制无结扣工艺制备的高强PE 纤维绳索具有较低的断后延长率。

⑶ 对于低捻度高强P E 纤维绳索，纤维用量的提高有利于绳索抗破断拉力的提高。同时，对实验结果分析认为，绳索与连接件接触面的吻合程度，是造成高强PE 纤维绳索中纤维材料高抗破断强力性能能否极致发挥的关键，因此对于低捻度高强PE 纤维绳索应用联接，应尽可能采用类似金属套环的弧面过渡连接进行接合。

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2 结论

⑴ 低捻度高强PE 纤维绳索具有较佳的抗疲劳性能，尤其采用按绳索预抗破断拉力20%～70%

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(上接第30页)

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