模具表面状态对复合材料构件固化变形的影响

宇 航 材 料 工 艺 h t t p ： / / w w w . y h c l g y . c o m 2 0 1 9 年 第 1 期 模 具 表 面 状 态 对 复 合 材 料 构 件 固 化 变 形 的 影 响 刘 德 博 1 湛 利 华 2 ， 3 ， 4 丁 星 星 4 蒋 成 标 4 （ 1 北 京 宇 航 系 统 工 程 研 究 所 ， 北 京 1 0 0 0 7 6 ） （ 2 中 南 大 学 高 性 能 复 杂 制 造 国 家 重 点 实 验 室 ， 长 沙 4 1 0 0 8 3 ） （ 3 中 南 大 学 机 电 工 程 学 院 ， 长 沙 4 1 0 0 8 3 ） （ 4 中 南 大 学 轻 合 金 研 究 院 ， 长 沙 4 1 0 0 8 3 ） 文 摘 为 查 明 不 同 模 具 表 面 状 态 下 的 复 合 材 料 构 件 应 变 演 变 规 律 及 其 对 固 化 变 形 的 影 响 ， 采 用 热 电 偶 和 光 纤 光 栅 传 感 器 对 不 同 模 具 表 面 状 态 下 的 复 合 材 料 构 件 在 热 压 罐 成 型 工 艺 过 程 中 的 温 度 和 应 变 进 行 在 线 监 测 ， 获 得 不 同 模 具 表 面 状 态 下 构 件 应 变 的 变 化 规 律 。 结 果 表 明 ： 升 温 阶 段 脱 模 布 的 使 用 能 够 有 效 屏 蔽 模 具 - 构 件 界 面 相 互 作 用 ， 使 构 件 在 升 温 阶 段 的 应 变 很 小 。 三 层 脱 模 剂 模 具 表 面 条 件 下 构 件 中 的 应 变 明 显 小 于 一 层 脱 模 剂 ； 降 温 阶 段 三 种 实 验 条 件 下 在 构 件 中 都 出 现 了 较 大 的 压 应 变 ， 其 中 一 层 脱 模 剂 模 具 表 面 状 态 下 模 具 - 构 件 相 互 作 用 力 最 大 ， 在 固 化 工 艺 完 成 后 构 件 发 生 翘 曲 变 形 ， 且 翘 曲 变 形 以 沿 纤 维 方 向 为 主 。 关 键 词 复 合 材 料 ， 固 化 应 变 ， 模 具 ， 表 面 状 态 ， 残 余 应 变 中 图 分 类 号 ： T B 3 3 2 D O I ： 1 0 . 1 2 0 4 4 / j . i s s n . 1 0 0 7 - 2 3 3 0 . 2 0 1 9 . 0 1 . 0 1 2 I n f l u e n c e o f T o o l S u r f a c e C o n d i t i o n o n C u r e - I n d u c e d D e f o r m a t i o n o f C o m p o s i t e S t r u c t u r e L I U D e b o 1 Z H A N L i h u a 2 ， 3 ， 4 D I N G X i n g x i n g 4 J I A N G C h e n g b i a o 4 （ 1 B e i j i n g I n s t i t u t e o f A s t r o n a u t i c a l S y s t e m s E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 6 ） （ 2 S t a t e K e y L a b o f H i g h P e r f o r m a n c e C o m p l e x M a n u f a c t u r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ） （ 3 S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ） （ 4 I n s t i t u t e o f L i g h t A l l o y ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ） A b s t r a c t I n o r d e r t o f i n d o u t t h e s t r a i n c h a n g e l a w o f t h e c o m p o s i t e c o m p o n e n t u n d e r d i f f e r e n t s u r f a c e c o n d i t i o n s o f t h e t o o l s a n d t h e i r i n f l u e n c e o n t h e c u r i n g d e f o r m a t i o n ， t h e r m o c o u p l e a n d F B G s e n s o r s w e r e u s e d t o m o n i t o r t h e t e m p e r a t u r e a n d s t r a i n o f c o m p o s i t e c o m p o n e n t s ， a n d t h e c h a n g e l a w o f c o m p o n e n t s t r a i n u n d e r d i f f e r e n t t o o l s u r f a c e c o n d i t i o n s c o u l d b e o b t a i n e d . T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e u s e o f d e m o u l d i n g c l o t h c a n e f f e c t i v e l y w e a k e n t h e i n t e r f a c e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t o o l a n d c o m p o n e n t ， s o t h a t t h e s t r a i n o f c o m p o n e n t i s v e r y s m a l l i n t h e h e a t i n g s t a g e . A n d t h e s t r a i n o f c o m p o n e n t w i t h t h e t o o l s u r f a c e c o n d i t i o n o f t h r e e - l a y e r d e m o u l d i n g a g e n t i s o b v i o u s l y l e s s t h a n t h a t o f o n e - l a y e r d e m o u l d i n g a g e n t . I n t h e c o o l i n g s t a g e ， l a r g e c o m p r e s s i v e s t r a i n o f c o m p o s i t e s i s d e t e c t e d i n a l l t h r e e s u r f a c e c o n d i t i o n s . T h e t o o l - p a r t i n t e r a c t i o n f o r c e i s t h e l a r g e s t w h e n t h e r e i s o n e l a y e r o f r e l e a s e s a g e n t ， a n d t h e m a i n w a r p i n g d e f o r m a t i o n a r e a l o n g t h e f i b e r d i r e c t i o n a f t e r t h e c u r i n g p r o c e s s . K e y w o r d s C o m p o s i t e ， C u r e - i n d u c e d s t r a i n ， T o o l ， S u r f a c e c o n d i t i o n ， R e s i d u a l s t r e s s 0 引 言 先 进 树 脂 基 复 合 材 料 因 其 高 强 度 、 耐 腐 蚀 和 抗 疲 劳 等 特 点 在 航 空 航 天 领 域 广 泛 应 用 ［ 1 - 3 ］ 。 在 热 固 性 树 脂 基 复 合 材 料 热 压 罐 成 型 过 程 中 ， 罐 内 压 力 会 使 构 件 紧 贴 在 模 具 上 ， 当 温 度 变 化 时 ， 模 具 与 构 件 的 自 由 热 膨 胀 或 收 缩 会 受 到 抑 制 ， 使 得 两 者 之 间 产 生 相 互 作 用 ［ 4 ］ 。 复 合 材 料 构 件 固 化 过 程 中 产 生 的 内 应 力 在 脱 模 释 放 后 引 起 构 件 的 回 弹 或 翘 曲 ， 影 响 装 配 甚 至 直 接 报 废 。 而 在 热 压 罐 工 艺 中 ， 金 属 模 具 与 复 合 材 料 构 件 之 间 热 胀 系 数 不 匹 配 是 引 起 构 件 固 化 残 收 稿 日 期 ： 2 0 1 8 - 0 2 - 1 5 基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 计 划 （ 9 7 3 计 划 ） 项 目 （ 2 0 1 4 C B 0 4 6 5 0 2 ） 第 一 作 者 简 介 ： 刘 德 博 ， 1 9 8 4 年 出 生 ， 博 士 ， 主 要 从 事 碳 纤 维 复 合 材 料 方 面 的 研 究 工 作 。 E - m a i l ： 1 3 5 8 1 9 8 4 0 9 6 @ 1 6 3 . c o m 通 信 作 者 ： 湛 利 华 ， 1 9 7 6 年 出 生 ， 博 士 ， 教 授 ， 主 要 从 事 先 进 材 料 制 备 技 术 与 装 备 方 面 的 研 究 工 作 。 E - m a i l ： y j s - c a s t @ c s u . e d u . c n — — 6 3宇 航 材 料 工 艺 h t t p ： / / w w w . y h c l g y . c o m 2 0 1 9 年 第 1 期 余 应 力 及 变 形 的 主 要 因 素 ［ 5 - 7 ］ 。 为 了 减 小 复 合 材 料 构 件 的 固 化 变 形 ， 需 要 对 复 合 材 料 构 件 在 热 压 罐 固 化 过 程 中 产 生 残 余 应 力 的 机 制 有 更 进 一 步 的 研 究 。 K A U S H I K 利 用 自 制 的 实 验 装 置 模 拟 热 压 罐 工 艺 环 境 ， 通 过 测 量 固 化 过 程 中 模 具 与 构 件 之 间 的 动 态 和 静 态 摩 擦 因 数 来 研 究 模 具 - 构 件 相 互 作 用 ， 发 现 树 脂 固 化 度 和 升 温 速 率 影 响 模 具 - 构 件 相 互 作 用 、 树 脂 固 化 收 缩 、 复 合 材 料 性 能 、 残 余 应 力 和 界 面 失 效 模 式 从 而 与 界 面 摩 擦 因 数 形 成 一 定 的 函 数 关 系 ［ 8 ］ 。 F E R N L U N D 通 过 实 验 研 究 发 现 如 果 构 件 沿 着 曲 率 方 向 上 的 铺 层 数 量 占 大 多 数 ， 改 变 另 外 的 铺 层 方 式 不 会 对 回 弹 程 度 产 生 大 的 影 响 ， 此 外 固 化 周 期 、 模 具 表 面 、 预 浸 料 种 类 和 构 件 铺 层 都 会 显 著 影 响 C 型 件 的 回 弹 ， 并 且 L 型 件 由 模 具 与 构 件 热 胀 系 数 不 匹 配 引 起 的 回 弹 远 大 于 C 型 件 ［ 9 ］ 。 T W I G G 研 究 了 固 化 工 艺 条 件 和 平 板 件 长 宽 比 对 模 具 - 构 件 相 互 作 用 引 起 的 翘 曲 ， 发 现 相 较 于 固 化 压 力 ， 构 件 的 长 宽 比 对 翘 曲 的 影 响 更 大 ， 而 在 不 同 模 具 表 面 状 态 下 成 型 后 的 构 件 翘 曲 并 无 显 著 区 别 ， 并 且 还 给 出 了 平 板 最 大 翘 曲 的 计 算 公 式 ［ 1 0 ］ 。 岳 广 全 采 用 光 纤 光 栅 监 测 了 复 合 材 料 单 向 板 固 化 过 程 中 沿 构 件 厚 度 方 向 和 面 内 的 应 变 ， 发 现 构 件 与 模 具 热 膨 胀 系 数 不 同 引 起 的 固 化 残 余 应 变 沿 构 件 厚 度 方 向 呈 梯 度 分 布 ， 靠 近 模 具 端 最 大 ［ 1 1 ］ 。 模 具 表 面 状 态 对 复 合 材 料 固 化 成 型 精 度 具 有 十 分 重 要 的 意 义 ， 但 是 关 于 固 化 过 程 中 不 同 模 具 表 面 状 态 对 复 合 材 料 固 化 过 程 中 应 变 影 响 的 研 究 鲜 有 报 道 。 本 文 对 复 合 材 料 单 向 层 合 板 在 热 压 罐 固 化 工 艺 中 的 温 度 和 应 变 进 行 实 时 监 测 ， 利 用 光 纤 光 栅 应 变 传 感 器 直 接 获 得 不 同 模 具 表 面 情 况 下 复 合 材 料 构 件 内 部 的 应 变 变 化 ， 并 以 此 研 究 固 化 过 程 中 不 同 模 具 表 面 状 态 对 模 具 - 构 件 相 互 作 用 的 影 响 。 1 实 验 1 . 1 材 料 及 设 备 以 T 7 0 0 / 环 氧 树 脂 预 浸 料 作 为 原 材 料 ， 将 每 层 预 浸 料 裁 剪 为 2 0 0 m m × 2 0 0 m m ， 整 个 构 件 使 用 1 0 层 预 浸 料 单 向 铺 贴 而 成 ， 成 型 模 具 为 铝 制 平 板 。 热 压 罐 最 高 使 用 温 度 为 2 5 0 ℃ ， 最 大 工 作 压 力 为 2 M P a ， 最 大 升 温 速 率 5 ℃ / m i n ， 可 用 最 大 试 件 尺 寸 4 3 5 m m × 3 5 0 m m × 6 0 0 m m ， 由 大 连 樱 田 机 械 制 造 有 限 公 司 生 产 。 光 纤 光 栅 解 调 仪 型 号 为 Z e n O p t i c s 9 6 0 ， 适 用 波 长 范 围 ： 1 5 2 5 ~ 1 5 6 5 n m ， 由 上 海 真 光 信 息 科 技 有 限 公 司 生 产 。 光 纤 光 栅 传 感 器 作 为 应 变 传 感 器 ， 温 度 灵 敏 系 数 为 0 . 0 0 9 5 n m / ℃ ， 应 变 灵 敏 系 数 为 0 . 0 0 1 2 n m / μ ε 。 1 . 2 实 验 原 理 ［ 1 2 - 1 7 ］ 光 纤 光 栅 传 感 器 的 纤 芯 折 射 率 在 轴 向 发 生 周 期 性 调 制 ， 根 据 模 耦 合 理 论 ， 中 心 反 射 波 长 的 特 征 方 程 为 ： λ B = 2 n e f f Λ （ 1 ） 由 于 光 纤 光 栅 对 温 度 和 应 变 均 敏 感 ， 对 单 独 一 个 光 纤 光 栅 传 感 器 的 温 度 与 应 变 共 同 造 成 的 波 长 漂 移 无 法 区 分 ， 为 了 解 决 光 纤 光 栅 温 度 和 应 变 交 叉 敏 感 的 问 题 ， 使 用 热 电 偶 对 光 纤 光 栅 传 感 器 进 行 温 度 补 偿 。 这 两 个 传 感 器 位 置 接 近 ， 可 以 认 为 处 于 相 同 的 温 度 场 中 ， 即 两 者 的 温 度 历 程 相 同 ， 因 此 可 通 过 公 式 （ 2 ） 剔 除 波 长 变 化 中 温 度 的 影 响 ， 得 到 监 测 点 处 的 应 变 ： Δ ε = ( Δ λ - K T Δ T ) / K ε （ 2 ） 式 中 ， Δ ε 和 Δ T 分 别 是 光 栅 应 变 变 化 量 和 温 度 变 化 量 ， Δ λ 为 光 栅 的 波 长 漂 移 量 ， K ε 和 K T 分 别 为 光 栅 的 应 变 灵 敏 系 数 和 温 度 灵 敏 系 数 。 1 . 3 实 验 方 法 为 了 更 好 地 监 测 不 同 模 具 表 面 状 态 对 构 件 应 变 的 影 响 ， 将 光 纤 光 栅 应 变 传 感 器 布 置 于 第 一 层 与 第 二 层 预 浸 料 之 间 ， 其 中 第 一 层 预 浸 料 与 模 具 接 触 ， 如 图 1 所 示 ， 光 纤 与 碳 纤 维 平 行 。 图 2 为 热 电 偶 和 光 纤 光 栅 传 感 器 在 预 浸 料 中 的 铺 放 位 置 示 意 图 。 由 于 热 电 偶 直 径 很 小 ， 仅 为 0 . 3 m m ， 并 且 在 同 一 平 面 内 构 件 中 的 温 度 场 基 本 上 是 均 匀 的 ， 因 此 热 电 偶 能 获 得 应 变 监 测 点 处 的 温 度 曲 线 ， 同 时 不 会 影 响 光 纤 光 栅 监 测 点 附 近 的 应 变 变 化 。 固 化 工 艺 如 图 3 所 示 。 设 计 了 三 种 不 同 的 模 具 表 面 状 态 ， 其 中 第 一 组 和 第 二 组 实 验 中 分 别 在 模 具 表 面 涂 覆 一 层 和 三 层 脱 模 剂 ， 利 用 毛 毡 蘸 取 脱 模 剂 ， 图 1 复 合 材 料 构 件 中 光 纤 光 栅 位 置 图 F i g . 1 L o c a t i o n o f F B G i n c o m p o s i t e p a r t 图 2 传 感 器 铺 放 位 置 图 F i g . 2 L o c a t i o n s o f t h e s e n s o r s — — 6 4宇 航 材 料 工 艺 h t t p ： / / w w w . y h c l g y . c o m 2 0 1 9 年 第 1 期 并 通 过 手 工 涂 覆 的 方 式 来 施 加 于 模 具 表 面 ， 脱 模 剂 涂 覆 方 法 为 ： 从 模 具 一 边 向 另 一 边 以 方 向 不 可 逆 方 式 涂 覆 ， 每 层 脱 模 剂 涂 覆 次 数 为 2 ， 涂 覆 时 力 求 脱 模 剂 均 匀 。 每 层 脱 模 剂 的 时 间 间 隔 为 1 5 m i n ［ 环 境 要 求 ： 温 度 （ 2 5 ± 1 ） ℃ ， 湿 度 5 0 % ± 1 0 % ］ 。 利 用 椭 偏 仪 对 脱 模 剂 厚 度 进 行 了 测 量 。 结 果 发 现 ： “ 一 层 ” 和 “ 三 层 ” 脱 模 剂 厚 度 分 别 为 8 . 0 7 8 μ m 和 2 7 . 5 7 9 μ m 。 为 便 于 叙 述 ， 后 文 用 “ 一 层 ” 和 “ 三 层 ” 来 描 述 模 具 表 面 状 态 。 第 三 组 实 验 在 模 具 表 面 覆 盖 一 层 脱 模 布 ， 材 质 为 氟 乙 烯 丙 烯 共 聚 物 （ F E P ） 。 2 结 果 与 讨 论 图 4 为 构 件 温 度 与 热 压 罐 罐 内 温 度 变 化 曲 线 ， 由 于 存 在 热 交 换 过 程 ， 构 件 温 度 和 罐 内 温 度 相 比 稍 有 滞 后 ， 整 体 上 两 条 曲 线 保 持 相 当 的 一 致 性 。 图 5 为 三 种 模 具 表 面 状 态 下 复 合 材 料 构 件 固 化 过 程 中 温 度 变 化 曲 线 ， 由 图 5 可 知 ， 三 次 试 验 中 复 合 材 料 构 件 内 部 温 度 历 程 基 本 一 致 ， 由 此 可 知 ： 模 具 表 面 状 态 的 改 变 对 构 件 温 度 的 变 化 影 响 很 小 。 图 6 为 三 种 模 具 表 面 状 态 下 复 合 材 料 单 向 板 在 沿 纤 维 方 向 上 的 应 变 演 变 曲 线 。 在 第 一 个 升 温 / 保 温 阶 段 时 树 脂 处 于 粘 流 态 ， 模 具 以 及 其 材 料 特 性 对 制 件 固 化 应 变 的 影 响 很 小 ， 而 树 脂 流 动 是 构 件 固 化 过 程 应 变 增 大 的 主 要 因 素 ， 此 时 单 向 板 沿 纤 维 方 向 上 主 要 为 拉 应 变 ； 第 二 个 升 温 阶 段 时 树 脂 处 于 橡 胶 态 ， 树 脂 基 体 热 膨 胀 导 致 拉 应 变 增 大 ； 第 二 个 保 温 阶 段 初 期 ， 剧 烈 的 交 联 反 应 使 树 脂 基 体 收 缩 ， 应 变 有 所 降 低 ， 随 后 保 持 稳 定 ； 降 温 阶 段 ， 随 着 温 度 的 降 低 ， 树 脂 基 体 收 缩 ， 三 种 实 验 条 件 下 的 应 变 均 随 温 度 降 低 而 减 小 ， 并 转 换 为 压 应 变 。 复 合 材 料 层 合 板 应 变 主 要 是 由 树 脂 流 动 、 固 化 收 缩 及 模 具 - 构 件 相 互 作 用 引 起 ， 并 主 要 形 成 于 固 化 过 程 降 温 阶 段 ［ 1 8 ］ 。 三 种 实 验 条 件 下 的 应 变 曲 线 差 异 说 明 改 变 模 具 表 面 状 态 会 影 响 模 具 与 构 件 之 间 的 相 互 作 用 ， 从 而 使 构 件 产 生 不 同 大 小 的 固 化 变 形 。 从 图 6 可 知 ， 第 一 个 升 温 阶 段 初 期 ， 在 罐 内 压 力 和 树 脂 流 动 双 重 作 用 下 ， 制 件 中 的 应 变 产 生 了 一 个 下 凹 的 波 谷 ， 这 主 要 是 由 于 固 化 初 期 在 罐 内 压 力 作 用 下 ， 复 合 材 料 构 件 会 被 压 实 ， 并 导 致 传 感 器 受 压 ， 而 后 随 着 构 件 温 度 逐 渐 升 高 ， 树 脂 逐 渐 转 变 为 粘 流 态 ， 黏 度 逐 渐 降 低 、 流 动 性 增 大 ， 由 于 树 脂 流 动 和 传 力 性 能 减 弱 ， 使 得 光 纤 光 栅 传 感 器 逐 渐 由 受 压 状 态 恢 复 正 常 ， 在 监 测 结 果 上 表 现 为 压 应 变 逐 渐 减 小 。 当 工 艺 温 度 达 到 8 0 ℃ 进 入 第 一 个 保 温 阶 段 时 ， 树 脂 已 经 过 了 凝 胶 点 ， 具 备 了 一 定 的 应 力 传 递 能 力 ［ 4 ］ ， 在 图 4 构 件 温 度 与 罐 内 温 度 变 化 F i g . 4 C u r v e s o f t e m p e r a t u r e o f a u t o c l a v e a n d p a r t 图 6 三 种 模 具 表 面 状 态 下 应 变 曲 线 F i g . 6 C u r v e s o f s t r a i n i n t h r e e k i n d s o f t o o l s u r f a c e c o n d i t i o n 图 3 热 压 罐 工 艺 曲 线 F i g . 3 C u r v e s o f t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e i n a u t o c l a v e 图 5 不 同 模 具 表 面 条 件 下 构 件 温 度 曲 线 F i g . 5 C u r v e s o f t e m p e r a t u r e o f p a r t i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n — — 6 5宇 航 材 料 工 艺 h t t p ： / / w w w . y h c l g y . c o m 2 0 1 9 年 第 1 期 模 具 与 构 件 因 热 胀 系 数 不 匹 配 导 致 的 相 互 作 用 影 响 下 ， 接 触 模 具 的 构 件 部 分 会 出 现 拉 应 变 ， 但 模 具 表 面 状 态 为 一 层 脱 模 剂 的 构 件 应 变 明 显 比 三 层 脱 模 剂 模 具 表 面 状 态 下 的 构 件 应 变 要 大 ， 形 成 这 种 差 别 主 要 是 模 具 - 构 件 相 互 作 用 是 通 过 两 者 之 间 的 剪 切 应 力 来 实 现 的 ， 而 两 者 所 能 传 递 的 剪 切 应 力 会 受 到 模 具 表 面 粗 糙 度 和 模 具 与 构 件 之 间 摩 擦 因 数 的 影 响 ［ 1 9 ］ 。 相 较 于 一 层 脱 模 剂 ， 三 层 脱 模 剂 能 够 形 成 更 厚 的 界 面 ， 改 善 模 具 表 面 粗 糙 度 ， 降 低 模 具 与 构 件 之 间 的 摩 擦 因 数 ， 减 小 两 者 之 间 的 剪 切 应 力 ， 使 得 在 升 温 过 程 中 由 模 具 与 构 件 热 膨 胀 不 同 引 起 的 构 件 应 变 变 化 较 小 。 而 模 具 表 面 状 态 为 脱 模 布 时 ， 构 件 中 监 测 到 的 应 变 几 乎 为 零 ， 说 明 脱 模 布 能 够 有 效 隔 绝 模 具 与 构 件 之 间 的 剪 切 作 用 ， 屏 蔽 模 具 - 构 件 相 互 作 用 ， 因 此 当 温 度 保 持 稳 定 后 ， 这 三 种 情 况 下 构 件 应 变 大 小 存 在 明 显 梯 度 ， 并 随 着 模 具 - 构 件 相 互 作 用 的 减 弱 而 减 小 ， 如 图 7 所 示 。 在 第 二 个 升 温 阶 段 ， 对 模 具 - 构 件 相 互 作 用 减 弱 较 小 的 一 层 脱 模 剂 模 具 表 面 状 态 下 的 应 变 增 幅 最 大 ， 并 且 其 增 长 速 率 也 最 大 ， 而 脱 模 布 模 具 表 面 状 态 下 的 增 幅 最 小 。 并 且 当 温 度 上 升 到 固 化 温 度 附 近 时 ， 构 件 中 产 生 剧 烈 的 固 化 反 应 ， 树 脂 大 量 放 热 并 且 产 生 固 化 收 缩 ［ 2 0 ］ ， 从 而 在 三 个 实 验 中 应 变 曲 线 均 产 生 了 一 个 波 峰 。 随 着 固 化 工 艺 进 入 第 二 个 保 温 阶 段 ， 三 种 模 具 表 面 状 态 下 构 件 应 变 出 现 了 和 第 一 次 保 温 阶 段 相 似 的 梯 度 。 三 组 实 验 条 件 下 的 应 变 数 值 相 较 于 第 一 个 保 温 阶 段 均 有 一 定 的 增 大 ， 其 中 一 层 脱 模 剂 模 具 表 面 条 件 下 的 应 变 增 幅 最 大 ， 这 也 与 前 述 的 应 变 变 化 机 制 分 析 相 同 ： 一 层 脱 模 剂 模 具 表 面 条 件 对 模 具 与 构 件 之 间 的 相 互 作 用 减 弱 效 果 最 小 ， 从 而 其 模 具 与 构 件 剪 切 应 力 在 三 种 模 具 表 面 条 件 中 是 最 大 的 ， 因 此 构 件 中 产 生 的 应 变 也 是 最 大 的 。 随 着 第 二 个 保 温 阶 段 的 结 束 ， 固 化 工 艺 进 入 降 温 阶 段 ， 此 时 三 种 模 具 表 面 状 态 下 获 得 的 构 件 应 变 曲 线 均 随 温 度 的 降 低 而 不 断 减 小 ， 并 且 应 变 变 化 速 率 比 升 温 阶 段 要 大 ， 由 于 在 降 温 时 ， 树 脂 已 固 化 完 全 ， 构 件 中 的 应 变 变 化 主 要 是 由 模 具 与 构 件 热 胀 系 数 不 匹 配 引 起 的 ， 说 明 在 整 个 固 化 过 程 中 ， 三 种 实 验 条 件 下 的 模 具 - 构 件 相 互 作 用 均 在 降 温 阶 段 达 到 最 大 。 这 是 由 于 树 脂 固 化 完 成 使 构 件 与 模 具 之 间 由 滑 动 摩 擦 状 态 转 变 为 粘 接 状 态 ， 两 者 之 间 所 能 传 递 的 最 大 剪 切 应 力 显 著 增 大 ， 从 而 使 应 变 随 温 度 降 低 而 迅 速 变 化 ， 并 且 从 图 6 中 可 以 看 到 ， 脱 模 布 模 具 表 面 状 态 下 构 件 应 变 降 幅 也 迅 速 下 降 ， 表 明 树 脂 的 固 化 显 著 增 强 模 具 — 构 件 相 互 作 用 ， 脱 模 布 也 只 能 部 分 减 小 模 具 热 收 缩 对 构 件 应 变 的 影 响 。 在 降 温 结 束 后 ， 三 个 实 验 中 构 件 中 的 应 变 均 大 幅 变 化 ， 并 且 由 拉 应 变 转 变 为 压 应 变 ， 整 个 降 温 过 程 中 三 条 曲 线 的 应 变 降 幅 依 然 呈 现 出 相 似 的 梯 度 （ 图 6 ） 。 说 明 模 具 表 面 状 态 不 仅 影 响 未 完 全 固 化 构 件 中 的 应 变 变 化 ， 在 固 化 完 成 后 的 降 温 阶 段 ， 其 对 构 件 中 的 应 变 变 化 依 然 有 较 大 影 响 。 固 化 结 束 后 三 种 模 具 表 面 状 态 下 构 件 的 变 形 如 图 8 所 示 ， 图 中 构 件 并 未 从 模 具 上 拆 除 。 （ a ） R e l e a s e a g e n t （ 1 l a y e r ） s u r f a c e c o n d i t i o n （ b ） R e l e a s e a g e n t （ 3 l a y e r s ） s u r f a c e c o n d i t i o n （ c ） F E P t o o l s u r f a c e c o n d i t i o n 图 8 三 种 模 具 表 面 状 态 下 固 化 成 型 的 构 件 F i g . 8 C u r e d p a r t o f t h r e e t o o l s u r f a c e c o n d i t i o n 图 7 两 次 保 温 阶 段 不 同 模 具 表 面 状 态 下 的 应 变 值 F i g . 7 S t r a i n v a l u e s i n t w o i s o t h e r m a l h o l d s t a g e s u n d e r d i f f e r e n t t o o l s u r f a c e c o n d i t i o n s — — 6 6宇 航 材 料 工 艺 h t t p ： / / w w w . y h c l g y . c o m 2 0 1 9 年 第 1 期 从 图 8 （ a ） 中 可 以 明 显 看 出 ， 一 层 脱 模 剂 条 件 下 的 构 件 沿 纤 维 方 向 发 生 明 显 翘 曲 ， 说 明 在 此 实 验 条 件 下 ， 模 具 与 构 件 之 间 的 相 互 作 用 非 常 强 烈 。 而 从 图 8 （ b ） 可 以 看 出 三 层 脱 模 剂 模 具 表 面 状 态 下 的 构 件 并 未 发 生 明 显 变 形 ， 说 明 脱 模 剂 的 涂 刷 次 数 能 够 有 效 减 小 模 具 - 构 件 相 互 作 用 ， 改 善 构 件 变 形 。 当 模 具 表 面 状 态 为 脱 模 布 时 ， 如 图 8 （ c ） 所 示 ， 模 具 与 构 件 在 边 缘 发 生 了 分 离 ， 表 明 外 界 压 力 撤 除 后 ， 在 此 条 件 下 的 模 具 - 构 件 相 互 作 用 非 常 小 ， 不 能 维 持 模 具 与 构 件 的 界 面 结 合 从 而 发 生 分 离 ， 这 与 前 述 获 得 的 不 同 模 具 表 面 状 态 对 模 具 - 构 件 相 互 作 用 应 变 的 影 响 一 致 。 3 结 论 （ 1 ） 在 升 温 阶 段 ， 铺 放 脱 模 布 能 够 有 效 屏 蔽 模 具 - 构 件 界 面 相 互 作 用 ， 使 构 件 在 升 温 阶 段 的 应 变 很 小 ， 而 当 树 脂 完 全 固 化 ， 固 化 工 艺 进 入 降 温 阶 段 后 ， 脱 模 布 的 屏 蔽 作 用 减 弱 ， 构 件 会 因 模 具 与 构 件 热 胀 系 数 不 匹 配 产 生 压 应 变 。 （ 2 ） 脱 模 剂 的 层 数 会 影 响 模 具 - 构 件 相 互 作 用 ， 三 层 脱 模 剂 模 具 表 面 条 件 下 构 件 中 的 应 变 要 明 显 小 于 一 层 脱 模 剂 表 面 条 件 下 构 件 中 的 应 变 。 （ 3 ） 残 余 应 变 主 要 产 生 于 降 温 阶 段 ， 树 脂 的 固 化 使 模 具 与 构 件 界 面 作 用 加 强 ， 能 传 递 更 大 的 剪 切 应 力 ， 并 且 一 层 脱 模 剂 模 具 表 面 状 态 下 模 具 与 构 件 之 间 的 相 互 作 用 最 大 ， 在 固 化 工 艺 进 程 结 束 后 ， 构 件 发 生 明 显 的 翘 曲 变 形 ， 翘 曲 变 形 以 沿 纤 维 方 向 为 主 。 参 考 文 献 ［ 1 ］ 陈 祥 宝 ， 张 宝 艳 ， 邢 丽 英 . 先 进 树 脂 基 复 合 材 料 技 术 发 展 及 应 用 现 状 ［ J ］ . 中 国 材 料 进 展 ， 2 0 0 9 ， 2 8 （ 6 ） ： 2 - 1 2 . ［ 2 ］ K A S H T A L Y A N M ， S O U T I S C . A n a l y s i s o f c o m p o s i t e l a m i n a t e s w i t h i n t r a - a n d i n t e r l a m i n a r d a m a g e ［ J ］ . P r o g r e s s i n A e r o s p a c e S c i e n c e s ， 2 0 0 5 （ 4 1 ） ： 1 5 2 - 1 7 3 . ［ 3 ］ 王 晓 洁 ， 张 炜 ， 刘 炳 禹 ， 等 . 高 性 能 碳 纤 维 复 合 材 料 耐 压 容 器 研 究 进 展 ［ J ］ . 宇 航 材 料 工 艺 ， 2 0 0 3 ， 3 3 （ 4 ） ： 2 0 - 2 3 . ［ 4 ］ 岳 广 全 ， 张 博 明 ， 戴 福 洪 ， 等 . 固 化 过 程 中 模 具 与 复 合 材 料 构 件 相 互 作 用 分 析 ［ J ］ . 复 合 材 料 学 报