1、114航空制造技术2023年第66卷第3期研究论文RESEARCH*基金项目：工信部民机专项基金项目（FSFKT0145）。引文格式：刘钧天,陈萍,闫超,等.不同自动铺丝工艺参数对 T800 级碳纤维/环氧复合材料孔隙率的影响研究J.航空制造技术,2023,66(3):114118,124LIUJuntian,CHENPing,YANChao,etal.ResearchoninfluenceofdifferentautomaticfiberplacementparametersonporosityofT800carbonfiber/epoxycompositeJ.AeronauticalMan
2、ufacturingTechnology,2023,66(3):114118,124.着复合材料结构的大型化及复杂化，手工铺叠及自动铺带工艺已不能满足机身等复杂零件的制造，由自动铺丝 碳纤维复合材料由于其高比强度、高比模量、抗疲劳、抗腐蚀等特性，广泛应用于民用航空领域12。而随不同自动铺丝工艺参数对 T800 级碳纤维/环氧复合材料孔隙率的影响研究*刘钧天，陈 萍，闫 超，肖 鹏（中国商飞上海飞机制造有限公司，上海 200436）摘要 采用 T800 级碳纤维/环氧树脂单向带铺丝预浸料，使用自动铺丝工艺制备不同厚度的试验层板，探究固化压力、层板厚度及尺寸、自动铺丝压紧力等各项参数对孔隙率及孔隙
3、分布的影响，采用超声 C 扫描表征复合材料层板孔隙率区间。研究表明，当固化压力降至某临界点后，孔隙率呈现先快速增加又逐渐减慢增加的趋势；厚铺层的层板的孔隙率高于较薄铺层的层板，靠近中间及底部铺层位置的孔隙较多；尺寸较大的层板，高孔隙率的区域相对集中分布在靠近层板中间的位置，且孔隙率区间较大；固化压力较小时，采用小压紧力铺丝的层板会形成更高的孔隙率；对于大型复杂的复材结构件来说，不同的铺丝工艺参数对孔隙率的影响也具有上述趋势。关键词：复合材料；孔隙率；固化压力；自动铺丝；超声检测Research on Influence of Different Automatic Fiber Placemen
4、t Parameters on Porosity of T800 Carbon Fiber/Epoxy CompositeLIU Juntian,CHEN Ping,YAN Chao,XIAO Peng(COMAC Shanghai Aircraft Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai 200436,China)ABSTRACT UsingT800gradecarbonfiber/epoxyresinunidirectionaltapeautomaticlayingprepreg,testlaminateswithdifferentthinknessweremanu
5、facturedbyautomaticfiberplacementprocess.Theeffectsofcuringpressure,laminatethinkness and size,automatic fiber placement pressure and other parameters on porosity and porosity distribution were investigated.Composites porosity intervals were characterized using ultrasonic C-scan.The results show tha
6、t when the curingpressuredropstoacertaincriticalpoint,theporosityincreasesrapidlyfirstandthenslowsdowngradually;Thickerlaminates have higher porosity than thinner laminates,and there are more pores near the middle and bottom of the ply;For laminaters with a larger size,the areas with high porosity a
7、re relatively concentrated near the middle of the laminates,and the porosity interval is large;When the curing pressure is low,the laminates laid with a small laying pressures will formahigherporosity;Forlargeandcomplexcompositesstructures,theinfluenceofdifferentautomaticfiberplacementparameters on
8、porosity also has the above trend.Keywords:Compositematerials;Porosity;Curingpressure;Automaticfiberplacement;UltrasonicinspectionDOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.03.1141152023年第66卷第3期航空制造技术RESEARCH研究论文工艺制造的零件占比在逐步增加34。但复合材料的制造过程中容易形成孔隙等微观缺陷，直接影响到复合材料的使用性能。石林4的试验数据表明，孔隙率在 05%范围内，每增加 1%，层间剪切强度下降约 7%
9、，弯曲强度下降约 10%。因此民用航空领域对复合材料结构件孔隙率的要求很高，体积百分比不能超过 2%。测定复合材料孔隙率的方法主要有阿基米德密度法、树脂酸蚀法、显微照相法、无损检测法等，其中超声检测是检测复合材料缺陷最常用的方法之一，该方法便捷且准确511。目前波音、空客等公司也均采用超声 C扫描进行复合材料结构件的孔隙率测定1214。影响孔隙缺陷形成的工艺参数较多，在工程上，探究各项参数对复合材料孔隙率的影响意义重大，但目前该方面的研究较少。本文主要采用自动铺丝工艺制备试验层板，探究固化压力、层板厚度及尺寸、自动铺丝压紧力等各项参数对孔隙率及孔隙分布的影响，并采用超声 C 扫描判断复合材料层
10、板孔隙率区间，为自动铺丝工艺制造复合材料结构零件提供参考。1 试验材料及方法1.1 层板制备本试验原材料采用 T800 级碳纤维/环氧树脂预浸料，单根丝束宽度为 6.35 mm，同时铺放 16 丝束；由机器人式铺丝机进行自动铺放后，使用热压罐成型工艺制备复合材料层板。固化制度如下：（1）抽真空至少 80 kPa；（2）热压罐加压至选定的不同固化压力，当压力达到 140 kPa 时，真空袋与大气联通；（3）热压罐达到全压时升温，在（1806）下固化至少 120 min，升温速率 0.53/min；（4）降温速率不超过 3/min，至 60 以下卸压。本试验制造了 3 种常用铺层的层板，其编号及对
11、应铺层信息如表 1 所示。1.2 表征方式通过在检测设备上对该材料体系的孔隙率对比试块进行标定，制得不同孔隙率对应超声衰减系数的评判关系曲线，曲线可用以确定 2%以下的孔隙率，因实际零件制造中孔隙率超过 2%已无法满足工程需要，故对超出 2%孔隙率的研究并不存在实际指导意义。准备与所制造层压板铺层相同的标块作为优区，优区是层压板依据 GB/T 33652008碳纤维增强塑料孔隙含量和纤维体积含量试验方法，通过金相法统计面孔隙率确定为 0 孔隙率的层压板，使用超声 C 扫描（探头频率 5 MHz）评估层板的孔隙率区间值，扫描方式为喷水穿透法。并使用手动接触式 A 扫描（探头频率 5 MHz）对区
12、间值进行复测校核，扫描方式为脉冲反射法。2 结果与讨论2.1 固化压力对铺丝层板孔隙率的影响控制铺放层板尺寸相同（300 mm500 mm）、铺丝端头压紧力500 N、制造方式等各项参数不变的情况下，仅改变固化压力，不同铺层层板测定的孔隙率最大与最小值，即层板的孔隙率区间范围，如图 1 所示。可以看出，虽然层板的铺层、厚度不同，但随着固化压力的改变，孔隙率的变化趋势是接近一致的。固化压力从 600 kPa 降至 400 kPa，层板的孔隙率始终为 0，这是由于较大的压力使铺层与铺层间得到了充分压实。当固化压图 1 不同固化压力下铺层层板孔隙率Fig.1 Porosity of laminate
13、 under different curing pressures60050040030020010000.51.01.52.52.0（a）B01铺层层板固化压力/kPa600500400300200100（b）B02铺层层板固化压力/kPa600500400300200100（c）B03铺层层板固化压力/kPa孔隙率/%00.51.01.52.52.0孔隙率/%00.51.01.52.52.0孔隙率/%孔隙率最大值孔隙率最小值孔隙率最大值孔隙率最小值孔隙率最大值孔隙率最小值表 1 层板铺层信息Table 1 Laminate information 编号铺层定义名义厚度/mmB0145/45
14、/0/90/45/45s2.244B02 45/45/0/902s2.992B03 45/45/0/903s4.488116航空制造技术2023年第66卷第3期研究论文RESEARCH力下降至 350 kPa 时，层板孔隙率迅速增长至 1%左右；而固化压力由 350 kPa 减少至 200 kPa 的过程中，孔隙率的增长趋势逐渐放缓；直至固化压力减小到 200 kPa，层板孔隙率最大值已超过 2%。由此可见，固化压力与孔隙率之间也并不只是简单的线性关系，而是当固化压力下降到某一阶段时，孔隙率呈现先快速增加又逐渐减慢增加的变化。孔隙的产生可能是由于材料自动铺放过程中，空气包埋在预浸料层间，或环氧
15、树脂吸入了一定水分，在固化过程中产生挥发分蒸汽压。固化压力减小到一定值时，压力已不足以使包埋或固化反应产生的气体充分排出，从而形成了明显的孔隙。但无论是包埋的空气或固化反应产生的气体均是有限的，这也很好地解释了当压力进一步减小时，孔隙率增加的趋势逐步放缓的现象。而且仅改变固化压力这一参数，层板上产生孔隙率相对比较均匀，并未出现孔隙率最大值与最小值相差很大的情况，差异最大的组为 B02 铺层在 250 kPa 的压力下固化，孔隙率最大值与最小值相差 0.37%。2.2 铺丝层板厚度对孔隙率的影响图 2 为使用相同固化压力下，不同厚度的层板的孔隙率及其区间范围。通过比较可以明显地看出，当固化压力减
16、小至相同值时，铺丝层数较多的层板孔隙率明显高于层数较少的层板。采用 400 kPa 的固化压力时，所有铺层的层板的孔隙率均为 0。当固化压力减小至 350 kPa后，B03 铺层层板的最大孔隙率值比 B01 铺层层板最大孔隙率值高出近 0.4%。可见当固化压力降低时，孔隙率对厚铺层层板的敏感度也是高于薄铺层层板的。这可能图 2 不同厚度层板孔隙率区间值Fig.2 Interval values of porosity of different thickness laminates0.51.01.52.0200250350B01B02B03300孔隙率（最小值-最大值）/%固化压力/kPa是由于相比内部的孔隙，接近层板表面的气体更容易被排出。同时铺层数越多，铺放时包埋在层内和层间的空气相对较多，而层板的尺寸相同，表面用以排出内部孔隙的面积是一定的，这就造成了较厚层板的孔隙率相对较大。同时，固化温度升高，树脂的黏度降低，固化压力以压强的形式作用在层板上；而远离层板表面的区域压强相对较小，导致层板内部的气体难以及时排出，使得层板远离层板表面的位置产生了孔隙率较高的情况。为进一步探究孔隙在层