刘永慧

摘 要：目前，人们对复合材料产品性能的要求日益提高。因此，提出了采用真空辅助成形工艺整体制备复合材料异型件结构的方案，确定了异型件结构整体制作的具体过程，解决了碳纤维预浸布制作异型件结构的关键问题。试制结果表明，该工艺整体制备复合材料异型件结构是可行的，为复合材料广泛应用到高承力、高强度的异型件结构中打下了基础。

关键词：复合材料异型件；碳纤维预浸布；弦杆；腹杆

中图分类号：TB332 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.088

真空辅助成形（VARI）是一种新型的低成本、高性能的成形工艺，已被应用到了船舶工程中。

1 模型结构及其成形方案

1.1 模型结构的试验方法

模型的结构形式为“米”字形异型件，弦杆和腹杆均为复合材方管，在方管内填充了Balsa木，弦杆壁厚4 mm，腹杆壁厚3 mm。选用的复合材料为威海光威生产的碳纤维预浸布，Balsa木的规格为B150，密度为0.15 g/cm3。

1.2 真空辅助成形的基本原理

真空辅助成形工艺的基本原理为：在真空状态下，排除纤维增强体中的气体，利用树脂的流动、渗透浸渍纤维及其织物，并使其在室温或高温下固化；固化成形后，通过真空气压差对纤维施加一定的正压力，从而形成具有一定比例的复合材料构件。

2 真空辅助异型件成形过程中的技术

复合材料异型件结构整体成形过程中主要用到异型件结构整体成形法、弦杆接头成形法、杆件预浸布铺设法和真空辅助成形流道铺设、固化法。

2.1 整体成形法

针对复合材料异型件结构特殊的结构形式，提出了分步制作、整体成形的模型制作方法：在木模具上铺设碳纤维预浸布，抽真空固化制作得到U形异型件；在U形异型件内填充Balsa木和预埋金属内芯，Balsa木、接头内芯与U形异型件管壁用结构胶黏结；在成形的U形异型件的杆件和弦杆接头上缠绕碳纤维预浸布，对杆件进行局部补强和整体缠绕加强，并进行预埋接头与杆件的整体固化成形，从而得到模型样件。

2.2 接头整体成形法

通过计算得到弦杆接头需要承受的拉压荷载，针对结构、受力的特点设计T形预埋接头内芯。接头的成形方法为：先将接头内芯预埋到弦杆和腹杆中，用木块压实预埋接头，保证预埋接头的内芯与杆件整体呈平面、保持竖直；使用碳纤维预浸布沿弦杆受力方向包裹内芯，使接头内芯与复合材料弦杆整体固化为一体。采用该方案可将预埋接头内芯与杆件连为一体，使各受力部分协同受力，从而提供较大的拉压力。

2.3 铺设、缠绕预浸布

整体采用交叉铺设的方法，即一层预浸布全部铺设、缠绕、搭接完成后，再铺设下一层预浸布，并使各层预浸布交叉搭接。在初成形的异型件结构上缠绕、包裹碳纤维预浸布的方法为：将预浸布平铺在异型件表面，预浸布中心线与杆件中心线对齐，顺势将预浸布向两侧腹板平铺，施加一定的张力，并保持表面平整。

2.4 真空辅助成形流道铺设、固化法

由于复合材料异型件结构复杂、铺层不规则，为了保证树脂对纤维的充分浸润，并吸走预浸布高温固化时多余的树脂和气泡，按照树脂在纤维中的流动规律、遵循Darcy定律布设了导流网和导流管。Darcy定律为：

θ = S·A·△P/μ·L. （1）

式（1）中：θ为通过恒定面积试件的体积流动速率；S为渗透率，与长度的平方相关的常数；A为试件的横截面积；△P为试件的压力梯度；μ为树脂黏度；L为试件液体流动的长度。

最终确定的导流设施布置方法为：在缠绕成形的样件前部包裹脱模布和导流网，真空袋包裹所有杆件，并在样件端部布置了1个出胶口，从而吸出多余的树脂；抽真空，压实各折角处的导流网和真空袋，待真空度达到0.08 MPa时，缓慢升温至80℃，固化1 h后升温至100℃，再固化1 h后升温至120℃，并在120℃的环境下保持2 h；在固化过程中，应不断地观察固化效果，待树脂完全固化完后缓慢降温，最后脱模得到模型样件。

3 外观检测

脱模后应及时观测，成形后杆件的尺寸与设计尺寸基本相符。检测试件外观后发现，样件整体成形效果较好，杆件铺层较密实，但其表面存在一些问题：①弦杆接头处存在纤维褶皱现象；②杆件厚度不一，表面不是平面。这些问题在后期制作实物样件时均会改进。

4 结论

本文通过采用真空辅助成形工艺整体制备碳纤维复合材料异型件样件，得出了以下2点结论：①本文提出的分步制作、整体成形、整体制备复合材料异型件模型样件方案经济、方便、可行，证明了真空辅助成形工艺用于制备异型件结构是合理、先进的，为解决军用复合材料异型件结构减重问题提供了低成本的制造方法和技术方案；②从构造和工艺方面出发，本文提出的整体制备拉压接头具有一定的创新性，T形预埋接头内芯构造合理，接头承载效果良好。

一些需要改进之处为：①绕杆件缠绕的纤维在真空吸附受压时，纤维会有褶皱、翘曲的现象，这会对杆件和接头性能造成一定的影响。因此，在工艺上应优化纤维的缠绕方法，避免此类问题的发生。②需要对异型件进行加载试验，验证异型件的力学性能，从而有针对性地优化工艺。

参考文献

[1]刘建成，林铸明.复合材料在渡河桥梁中的应用和发展[J].工兵装备研究， 2004（1）.

[2]赵渠森.先进复合材料手册[M].北京：机械工业出版社，2003.

〔编辑：张思楠〕