航空结构件树脂复合材料制备工艺及工程应用优化

周 凯

（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150066）

摘  要：就航空曲面加筋结构件热压罐成型过程中易出现的孔隙、富树脂、架桥、固化变形等问题而言，以碳纤维/环氧树脂预浸料为例，提出了一种预浸料准备、分阶段压实、真空封装、固化参数控制、复杂区域辅助成形协同优化的方法。为了验证该方法，采用L₉3⁴正交试验和平行确认试验来选择参数，制备出3件常规工艺和3件优化工艺结构件。结果表明，优化组随炉板孔隙率由原来的0.65%降到0.58%，层间剪切强度由原来的65.8MPa提高到71.2MPa；结构件最大尺寸偏差和超声缺陷面积比例分别降到0.54mm和0.8%，说明该工艺可以改善成形质量以及平行试制结果的一致性。

关键词：航空结构件；树脂基复合材料；热压罐成形；固化工艺；质量控制

碳纤维增强环氧树脂基复合材料具有比强度高、比刚度高和铺层可设计等特点，已用于航空蒙皮、壁板及加筋构件。然而，与一般平板构件相比，曲面加筋结构件存在曲率变化、局部增厚和封闭转角，铺贴、压实及固化过程中易产生纤维偏移、残余气体、富树脂和回弹变形。其成形质量受材料状态、排气通道、树脂黏度窗口和压力传递连续性共同影响，铺层压实与固化参数匹配程度直接决定孔隙水平和尺寸稳定性。因此，本文以典型曲面加筋结构件为对象，研究缺陷形成机制、制备工艺优化及工程试制效果。

1 航空结构件树脂复合材料成形机制

1.1 材料体系与结构成形质量要求

研究对象为单向碳纤维/环氧树脂预浸料，结构由曲面蒙皮、帽形纵向筋、转角填充区及铺层递减区组成。蒙皮区控制厚度与纤维方向，筋条根部及内凹转角重点控制架桥、富树脂和孔隙。为量化上述成形质量，以孔隙率和层间剪切强度筛选参数，以最大尺寸偏差和超声缺陷面积比例评价结构件质量，并以纤维体积分数辅助判断压实与失胶程度。

1.2 树脂流动、孔隙演化与固化变形机制

预浸料升温后，树脂黏度先降低，之后随交联反应升高。低黏度阶段，外部压力促使铺层压实，层间气体沿透气材料和真空接口排出；若升温过快，树脂将在气体充分逸出前凝胶，残余气体被封闭于层间并形成孔隙。内凹转角易发生袋膜架桥，筋条根部几何突变会削弱局部压实压力。其中，热压罐表压为罐内气体相对环境的压力，结构表面实际压实压力还受袋膜贴合和局部几何影响。冷却时，模具与复合材料热膨胀差异叠加树脂收缩，易产生回弹和尺寸偏差，见图1。其中，平面区域气体可沿连续透气通道排出，而内凹转角受袋膜架桥和局部压实压力衰减影响，容易形成封闭孔隙及富树脂区。因此，复杂区域还需采用局部导气和柔性压力补偿改善气体迁移及贴模状态。

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