復(fù)合材料構(gòu)件真空氣密性能的提升技術(shù)研究
在簡(jiǎn)述某復(fù)合材料在空間領(lǐng)域的應(yīng)用事例之后，指出改進(jìn)真空氣密性能的必要性。在歸納熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料真空氣密性問(wèn)題的特點(diǎn)之后，提出要使復(fù)合材料構(gòu)件在真空度小于10-3Pa 等空間環(huán)境條件下漏率小于10-10 Pa.m3/s、總質(zhì)量損失小于1.00%、可凝揮發(fā)物小于0.10%，應(yīng)從設(shè)計(jì)、制造和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)采取系統(tǒng)性的措施。隨后從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝路線設(shè)計(jì)、工藝方法選擇、工藝控制措施、包裝、運(yùn)輸、貯存、使用和維護(hù)方面，共計(jì)介紹了數(shù)十條可提升真空氣密性能的技術(shù)措施，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了技術(shù)措施的有效性。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、可靈活設(shè)計(jì)特點(diǎn)的復(fù)合材料在航空航天、武器裝備、醫(yī)療、體育、運(yùn)輸?shù)溶娒耦I(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，象其它材料一樣，復(fù)合材料也具有一些相對(duì)較弱卻要足夠重視的性能，有時(shí)這些性能甚至還會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)件的正常使用。例如，真空氣密性能低于不銹鋼、鋁等金屬材料的某樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用在軌道航天器上時(shí)，在3~4 K低溫、高真空并有原子氧、電子輻射、紫外輻照、冷熱交變、碎片撞擊等的空間環(huán)境下發(fā)生的一處微小放氣和漏氣造成了加速度的改變，進(jìn)而引起整個(gè)航天器運(yùn)動(dòng)軌道和姿態(tài)的改變，釀成了重大事故。實(shí)際上，較應(yīng)用環(huán)境條件苛刻的空間領(lǐng)域，復(fù)合材料真空氣密性問(wèn)題的事例在其它領(lǐng)域中也是經(jīng)常發(fā)生，只是危害程度輕一些而已，因而有必要展開(kāi)改進(jìn)材料真空氣密性能的研究。
據(jù)真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)提供的資料，真空氣密性問(wèn)題主要包括材料的放氣和漏氣兩大類，放、漏氣的合格指標(biāo)因具體使用要求而不同。放氣是由于真空條件下材料發(fā)生蒸發(fā)、升華、反應(yīng)和降解造成，在地面上時(shí)衡量指標(biāo)主要為出氣速率、出氣量及出氣成份，在空間領(lǐng)域時(shí)則為質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)份。漏氣即為構(gòu)件各零部件發(fā)生的氣體泄漏，衡量指標(biāo)主要為個(gè)別部件漏率或總漏率。通常，空間復(fù)合材料的真空氣密性能指標(biāo)為： 在真空度小于10-3 Pa 等空間環(huán)境條件下，漏率小于10-10 Pa.m3/ s、總質(zhì)量損失小于1.00% 、可凝揮發(fā)物小于0.10%。為了提升復(fù)合材料的真空氣密性能，降低放氣率、漏氣率及其帶來(lái)的不良影響，業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行了多年的研究和探索。由于不同材料的真空氣密機(jī)理、影響因素和改進(jìn)措施均差異較大，限于篇幅，本文僅以空間用熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件為研究對(duì)象，系統(tǒng)性地介紹可提升其真空氣密性能的技術(shù)措施。
1、復(fù)合材料真空氣密性問(wèn)題的特點(diǎn)
應(yīng)用范圍廣泛的熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料以基體樹(shù)脂和增強(qiáng)纖維為主要原料，按一定工藝成型后，經(jīng)固化交聯(lián)反應(yīng)后形成的高比強(qiáng)高比模構(gòu)件，其真空氣密性問(wèn)題具有如下特點(diǎn)：
(1) 真空環(huán)境與構(gòu)件的放、漏氣之間相互影響。真空會(huì)加劇材料放、漏氣的速率和量，漏、放氣也會(huì)影響真空環(huán)境的獲得，有時(shí)放氣也可能是壁厚即將發(fā)生泄漏的先兆。
(2) 漏放氣問(wèn)題受到自身材料和結(jié)構(gòu)、制造工藝和使用環(huán)境的多重影響，顯得非常復(fù)雜。即使是同種材料，在結(jié)構(gòu)、制造工藝和使用環(huán)境不同時(shí)，不同構(gòu)件甚至同一構(gòu)件的不同部位的真空氣密性能也會(huì)不同。
(3) 構(gòu)件放出的氣體分為吸附解溶氣體、溶劑揮發(fā)氣體、反應(yīng)氣體和老化降解氣體四類，成分包括H2O、CO、CH4、H2、CO2 等和其它低分子產(chǎn)物，其中H2O的含量最多。放氣存在于構(gòu)件壽命期內(nèi)的不同階段并以不同趨勢(shì)衰變和波動(dòng)，總體上看，質(zhì)量損失會(huì)在一定條件下隨時(shí)間趨于飽和，未被收集的可凝揮發(fā)物也容易造成器件污染。
(4) 構(gòu)件內(nèi)部容易產(chǎn)生孔隙、疏松、裂紋和夾雜等缺陷，缺陷處易發(fā)生氣體泄漏。有時(shí)，還會(huì)因環(huán)境條件變化而發(fā)生冷漏、超漏的情況。
真空氣密性問(wèn)題的復(fù)雜，使得單一的技術(shù)措施難以徹底進(jìn)行解決。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)文獻(xiàn)，空間復(fù)合材料的真空氣密性能，需要從設(shè)計(jì)、制造和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)采取措施進(jìn)行系統(tǒng)性地提升。通常，在應(yīng)用到正式產(chǎn)品前，要實(shí)測(cè)其出氣數(shù)據(jù)，嚴(yán)格檢漏,確定其真空氣密性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用到空間領(lǐng)域前還要經(jīng)多次地面模擬試驗(yàn)驗(yàn)證和空間飛行考核。
2、真空氣密性能的提升技術(shù)
提升技術(shù)措施基于放氣和漏氣的發(fā)生機(jī)理，貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)到使用維護(hù)的整個(gè)過(guò)程，可預(yù)防或減少?gòu)?fù)合材料構(gòu)件的真空氣密性問(wèn)題。
2.1、產(chǎn)品設(shè)計(jì)
客觀上，沒(méi)有絕對(duì)真空致密的材料，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以滿足使用要求為標(biāo)準(zhǔn)，將真空氣密性能指標(biāo)設(shè)定在合理的范圍。通常，包含材料體系的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.1.1、材料體系的選擇
復(fù)合材料的原材料包含基體樹(shù)脂、增強(qiáng)纖維、填料、助劑和膠粘劑等。常用的基體樹(shù)脂有不飽和聚酯、環(huán)氧、酚醛、雙馬來(lái)酰亞胺、聚酰亞胺等，增強(qiáng)纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、PBO纖維等，填料有玻璃微珠、鋁粉、碳酸鈣、二硫化鉬、鈦酸鋇等，助劑有偶聯(lián)劑、消泡劑等，膠粘劑則分為有機(jī)、無(wú)機(jī)兩大類。選擇時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。
(1) 樹(shù)脂體系包含樹(shù)脂、固化劑和引發(fā)劑等，選擇時(shí)應(yīng)注意： 一是優(yōu)先選擇無(wú)溶劑樹(shù)脂體系，減少溶劑的影響; 二是樹(shù)脂體系應(yīng)具有較低的粘度，利于氣體的排除; 三是樹(shù)脂體系固化類型應(yīng)為加成聚合類,可形成較大化學(xué)鍵能的高密度分子結(jié)構(gòu)，較少生成小分子氣體產(chǎn)物，較少殘留活性官能團(tuán); 四是樹(shù)脂體系及固化物應(yīng)具較低的吸濕量; 五是固化后的樹(shù)脂分子鏈上活性官能團(tuán)應(yīng)較少，較難再次發(fā)生化學(xué)反應(yīng); 六是樹(shù)脂澆注體應(yīng)具有較好的韌性，以減少制品變形或纖維界面應(yīng)力破壞，斷裂伸長(zhǎng)率常以5% 以上為宜。據(jù)有關(guān)制品的使用結(jié)果，氰酸酯樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂的真空氣密性能相對(duì)優(yōu)于常用的酚醛、環(huán)氧、不飽和聚酯等類樹(shù)脂。
(2) 增強(qiáng)纖維由于纖維的表面是較易發(fā)生氣體吸附、滲透和泄漏的區(qū)域，選擇時(shí)應(yīng)注意： 一是應(yīng)多選擇浸潤(rùn)性好、低TEX 數(shù)、高模量、直徑較粗、線膨脹系數(shù)低的短切纖維、連續(xù)單向無(wú)捻或低捻纖維以及厚度較薄的織物; 二是纖維表面的多余雜質(zhì)或缺陷應(yīng)容易清理，且清理后容易與活性分子發(fā)生反應(yīng);三是應(yīng)采用合適的方式對(duì)纖維進(jìn)行表面處理，以獲得強(qiáng)而韌的界面層，以減少某些環(huán)境下界面損傷帶來(lái)的影響; 四是纖維應(yīng)具有和樹(shù)脂相接近的斷裂伸長(zhǎng)率，以減少材料不同步變形時(shí)界面的損壞。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料真空氣密性相對(duì)更好。
(3) 填料填料的使用可使構(gòu)件獲得平整光潔的表面。選擇時(shí)，應(yīng)考慮填料的外形尺寸、添加比例、表面活性及其在樹(shù)脂體系中的分散性，必要時(shí)應(yīng)先進(jìn)行表面處理。
(4) 助劑適量助劑的使用可改善樹(shù)脂膠液的工藝性，還可提高構(gòu)件的致密程度。這是因?yàn)椋?偶聯(lián)劑的分子鏈兩端可分別與纖維和樹(shù)脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而提高纖維和樹(shù)脂分子之間結(jié)合力，減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)分層缺陷; 消泡劑可快速消除膠液中的氣泡并抑制新氣泡的產(chǎn)生，從而減少構(gòu)件內(nèi)部孔隙缺陷的尺寸和數(shù)量。選擇時(shí)，應(yīng)考慮助劑與樹(shù)脂、纖維間的反應(yīng)活性，及其給構(gòu)件性能帶來(lái)的影響。
(5) 膠粘劑用于零部件之間的膠接裝配。應(yīng)盡量選擇剪切強(qiáng)度高、韌性好、工藝性好、無(wú)氣體固化產(chǎn)物、膠層真空出氣率低的膠粘劑，并通過(guò)合適的表面處理和涂覆工藝獲得致密的膠層。例如，某型號(hào)艦用部件采用多個(gè)金屬與復(fù)合材料構(gòu)件膠接的結(jié)構(gòu)，選用某國(guó)產(chǎn)雙組份膠粘劑，采用分次涂膠和除氣工藝，膠接后膠層的氦氣漏率小于2.0 ×10-8 Pa.m3/s。
2.1.2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮載荷條件、材料性能、環(huán)境、工藝手段、運(yùn)輸安裝、檢驗(yàn)測(cè)試、維護(hù)、壽命、使用工況、成本等因素，既保證構(gòu)件能安全可靠使用，又可以發(fā)揮其輕質(zhì)、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。在幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，要特別注意以下幾點(diǎn)：
(1)避免出現(xiàn)壁厚過(guò)薄和厚度不均勻性的設(shè)計(jì)。不均勻結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致薄壁面產(chǎn)生裂紋或使局部裂紋擴(kuò)展成漏孔，因而設(shè)計(jì)時(shí)特別注意結(jié)構(gòu)形態(tài)和配合尺寸是否合理。一般壁厚不得小于1 mm，薄壁面轉(zhuǎn)折處半徑宜大于2.5 mm，厚薄變化不宜大于50%。
(2)避免在壁厚方向上設(shè)計(jì)有通孔。通孔的設(shè)計(jì)破壞了原壁面的完整，需要通過(guò)另外的密封方式進(jìn)行密封，這將增加壁面漏氣的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)通孔時(shí),還應(yīng)注意通孔形狀、尺寸、間距、邊距等參數(shù)的設(shè)計(jì),防止孔壁和周邊出現(xiàn)損傷而形成漏孔。
(3)適當(dāng)增加加強(qiáng)筋/ 肋。在壁厚較薄、不均勻、表面積較大且承受載荷較大時(shí)，加強(qiáng)筋/肋可提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少應(yīng)力、變形和破壞，進(jìn)而降低壁面漏氣的風(fēng)險(xiǎn)。筋/ 肋應(yīng)以外形矮、數(shù)量多、分散均勻、邊緣處圓滑過(guò)渡為宜。通常，過(guò)渡圓角應(yīng)大于R1。
(4) 模具成型面上應(yīng)設(shè)計(jì)有適當(dāng)脫模斜度。對(duì)固化收縮大、外形復(fù)雜、成型表面較小且修補(bǔ)不便的構(gòu)件，適當(dāng)斜度可降低脫模難度，減少成型表面的變形和損傷，避免因損傷而造成氣體泄漏。一般，脫模斜度不應(yīng)小于0.5℃。
(5) 預(yù)埋嵌件的特殊要求。嵌件可提高構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性和某些性能，還可給機(jī)械連接提供方便,但其結(jié)合界面處易產(chǎn)生應(yīng)力破壞、分層甚至貫穿性漏孔。因而，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取合適的材質(zhì)，進(jìn)行表面處理，并保持嵌件表面具有足夠厚度的復(fù)合材料層。通常，材料層厚度應(yīng)大于嵌件直徑的3/4，或保持在1.5 mm 厚以上。
2.2、工藝設(shè)計(jì)
指在要求的生產(chǎn)速度下為制造出合格產(chǎn)品而采取的低成本方法、手段和控制措施，具體包含工藝路線的設(shè)計(jì)、工藝方法的選擇和工藝控制措施。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)功能一體化的新設(shè)計(jì)方案以及多種工藝復(fù)合后形成的新工藝。新設(shè)計(jì)可使材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的構(gòu)件同時(shí)具有高性能、多功能和高可靠性。新工藝則具有低成本、高效率的特點(diǎn)，可適應(yīng)大批量化生產(chǎn)的需要。
2.2.1、工藝路線的設(shè)計(jì)
應(yīng)將各工序安排合理、緊湊，便于過(guò)程氣體的及時(shí)排除，避免工序間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以減少氣體吸附及多余化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，確保產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程可控。
2.2.2、工藝方法的選擇
包括選擇那些可減少構(gòu)件形成孔隙、分層、裂紋缺陷，污染和損傷，進(jìn)而避免構(gòu)件發(fā)生泄漏的成型、固化、機(jī)加工、膠接和表面涂層等工藝方法。
(1) 成型工藝應(yīng)優(yōu)先選擇纖維體積含量較低、有適當(dāng)成型壓力的工藝方法，包括RTM 成型、纖維纏繞成型、鋪層成型、模壓成型等。成型時(shí)要盡量避免帶入氣體，對(duì)已裹入成型毛坯中的氣體，要在適當(dāng)?shù)墓ば蚣皶r(shí)排除。
(2) 固化工藝應(yīng)優(yōu)先選擇那些可抽真空除氣及均勻施加外部壓力的固化工藝，如： 模壓、液壓釜、熱壓罐以及抽真空固化等。
(3) 機(jī)加工工藝常用的有車削、鉆孔、銑切、鏜削、磨削、拋光、水切割等類型，應(yīng)優(yōu)先選擇狀態(tài)穩(wěn)定、精加工能力強(qiáng)的數(shù)控設(shè)備，保證加工中工件的安全，避免造成產(chǎn)品損傷，給真空氣密性能帶來(lái)隱患。
(4) 膠接工藝包括膠粘劑選擇及復(fù)驗(yàn)、預(yù)裝配、表面處理、膠接裝配、固化和清理修整等工序內(nèi)容。應(yīng)優(yōu)先選擇放氣率低的無(wú)機(jī)膠粘劑，采用膠接和機(jī)械連接的混合連接方式，并有環(huán)境控制、表面處理、脫泡控制措施。
(5) 表面涂層常用的有模內(nèi)涂層、氣相沉積、油漆噴涂、火焰噴涂等類型，應(yīng)選擇放氣率低的涂層,有表面處理和涂層保護(hù)控制措施。
2.2.3、工藝控制措施的設(shè)計(jì)
指為了實(shí)現(xiàn)成型、固化、機(jī)加工、膠接、涂層等制造過(guò)程中的工步操作質(zhì)量指標(biāo)，減少孔隙、夾雜、分層、裂紋等各類缺陷，避免給構(gòu)件的氣密安全帶來(lái)隱患或造成構(gòu)件破壞形成泄漏，而應(yīng)注意的操作細(xì)節(jié)和應(yīng)采取的控制措施。
2.2.3.1、成型工藝控制措施
(1) 環(huán)境的控制包括對(duì)環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、潔凈度、光照、通風(fēng)等參數(shù)的控制。需要進(jìn)行環(huán)境控制的工序有預(yù)浸料制作、纏繞、膠接等。通過(guò)控制可以減少對(duì)氣體、水分和粉塵的吸附，避免構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生孔隙、裂紋和夾雜。一般以溫度15~ 25 ℃ 、相對(duì)濕度[60%、潔凈度105 級(jí)、有進(jìn)排風(fēng)裝置并可換氣為宜。
(2) 表面處理指為了增加與樹(shù)脂之間的粘結(jié)力，減少構(gòu)件內(nèi)部出現(xiàn)分層而進(jìn)行的纖維、夾層和嵌件表面處理。具體方法有： 清洗、刻蝕、氧化、接枝等纖維處理，以及噴砂、磷酸陽(yáng)極化、化學(xué)處理、電暈處理等嵌件和夾層的處理。選擇時(shí)應(yīng)注意處理方法與材質(zhì)類型的匹配，應(yīng)控制好處理工藝參數(shù)。
(3) 預(yù)浸料制作包括無(wú)緯布、預(yù)浸織物和預(yù)混料的制作。制作時(shí)應(yīng)控制好展紗寬度、纖維張力、樹(shù)脂粘度、浸漬時(shí)間等工藝參數(shù)，保證預(yù)浸料的樹(shù)脂含量指標(biāo)大于35%，揮發(fā)份指標(biāo)小于5% 。儲(chǔ)存時(shí)應(yīng)做好密封，避免吸附過(guò)多的環(huán)境氣體和水分。
(4) 成型過(guò)程：膠液配制配制后，可采取抽真空10 min 以上或添加0.5% ~ 1.5% 消泡劑，以除去樹(shù)脂膠液中的氣泡。RTM 成型采用機(jī)械或手工編織的方式成型纖維預(yù)成型體時(shí)，需要避免纖維的嚴(yán)重搭接和緊密堆積的情況，應(yīng)在纖維束/ 層之間留有適當(dāng)孔隙或者增加開(kāi)放型的增強(qiáng)體層，并盡量使纖維的方向與樹(shù)脂的流向相同。由于沒(méi)有外部加壓，在注射過(guò)程中,可結(jié)合使用注射壓力和抽真空手段、鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)、降低樹(shù)脂粘度、延長(zhǎng)浸漬時(shí)間來(lái)保證纖維浸潤(rùn)和氣體排除的效果。纏繞成型濕法纏繞時(shí)通過(guò)紗片寬、纏繞速度、纏繞張力以及膠槽中膠液密度和深度等的控制來(lái)獲得致密的制品，干法纏繞時(shí)則主要對(duì)成型溫度和壓力參數(shù)進(jìn)行控制，當(dāng)采取干法鋪層和濕法纏繞相結(jié)合的混合工藝時(shí)應(yīng)重點(diǎn)對(duì)成型厚度進(jìn)行控制,必要時(shí)還應(yīng)采取分次纏繞。
鋪層成型成型時(shí)，應(yīng)避免纖維方向與厚度方向平行，減少纖維皺折和架橋，必要時(shí)可通過(guò)抽真空預(yù)壓、碾壓等方式排除出裹入的氣體，使鋪層平整、服帖。若有條件，應(yīng)盡可能采用計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)鋪層技術(shù)替代傳統(tǒng)的手工鋪層，提高鋪層質(zhì)量及其穩(wěn)定性。
模壓成型除了控制好溫度和壓力兩個(gè)主要工藝參數(shù)，還應(yīng)控制好物料的預(yù)熱、裝料、排氣等操作細(xì)節(jié)，把握好加壓時(shí)機(jī)，使物料在凝膠前盡可能地充滿整個(gè)模腔并排出物料中的溶劑氣體、空氣及反應(yīng)氣體。有條件時(shí)應(yīng)引入在線檢測(cè)和壓力自動(dòng)補(bǔ)給技術(shù)提高對(duì)模壓過(guò)程的監(jiān)測(cè)和控制力度。
內(nèi)部阻擋層的鋪設(shè)指在纏繞、鋪層等成型過(guò)程中，在指定部位的結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋪設(shè)低滲透率的阻擋層來(lái)提高壁面的真空氣密性。常用的阻擋層有：聚酰亞胺、尼龍、滌綸、賽綸、聚乙烯、聚碳酸酯薄膜(各材料的氦氣漏率數(shù)據(jù)如表1 所示) 以及金屬箔片，也有采用在滌綸表面鍍金屬膜或在金屬基底上沉積TiN 或BN 薄膜的方法制取的復(fù)合型阻擋層,還有將細(xì)至納米級(jí)的大理石、尼龍或鋁等粉末調(diào)入樹(shù)脂的方式在內(nèi)部某處形成的致密層。鋪設(shè)前應(yīng)對(duì)阻擋層材料進(jìn)行表面處理。
表1 各種材料的氦氣漏率
(5) 纖維體積含量指標(biāo)的控制
真空環(huán)境下，纖維的放氣率低于樹(shù)脂澆鑄體的放氣率，但纖維體積含量越高，復(fù)合材料就越容易產(chǎn)生疏松、分層和裂紋缺陷，漏氣的可能性也就越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，纖維體積含量控制在50% ~ 65% 時(shí)可較好地兼顧真空氣密性能和力學(xué)性能。
(6) 脫模劑的影響
有內(nèi)、外脫模劑之分，主要有硬脂酸鋅、鎂、鋁等金屬鹽以及過(guò)氯乙烯、聚乙烯醇、石蠟、醋酸纖維素、硅酯、硅油等。在使用時(shí)應(yīng)盡量少用硅類脫模劑，避免因其滲入制品而造成裂紋。對(duì)于脫模后殘留在制品表面的脫模劑層應(yīng)通過(guò)表面打磨和溶劑清洗等方式去除。
2.2.3.2、固化工藝控制措施
指通過(guò)對(duì)溫度、壓力、相對(duì)真空度等參數(shù)的控制，使樹(shù)脂達(dá)到要求的固化程度。
(1) 溫度主要指對(duì)升降溫速率以及保溫時(shí)間的參數(shù)控制。通常，以模具溫度為準(zhǔn)，將升降溫速率制在0.3~ 1.5 ℃/min，太快或太慢均易造成樹(shù)脂反應(yīng)不均勻、氣泡排除不盡、產(chǎn)生固化應(yīng)力甚至形成疏松和裂紋缺陷。另外，設(shè)備應(yīng)具有足夠的精度，溫度波動(dòng)度不大于 1 ℃ ，爐內(nèi)溫差應(yīng)不大于2 ℃ 。
(2) 壓力主要指對(duì)升降壓速率、保壓時(shí)間、壓力大小等參數(shù)和加壓時(shí)機(jī)的控制，其中加壓時(shí)機(jī)應(yīng)給予特別的注意。加壓過(guò)早，易造成樹(shù)脂過(guò)多流失，形成內(nèi)部缺膠和疏松; 加壓過(guò)遲，壓力難以使部分凝膠的樹(shù)脂流動(dòng)，易造成內(nèi)部裂紋、疏松和孔隙。通常,加壓時(shí)機(jī)的選取方法為： 模壓工藝為樹(shù)脂開(kāi)始拉絲之時(shí)，熱壓罐或液壓釜工藝可通過(guò)溫度( 由DSC 或DDA 測(cè)定的凝膠溫度) 指示來(lái)判斷，或者根據(jù)樹(shù)脂氣體揮發(fā)譜線選取在氣體劇烈產(chǎn)生之前。
(3) 相對(duì)真空度指真空袋里氣體壓力與大氣壓之間的差值，其理論極限為- 0.1 MPa，在固化工藝中常和溫度、壓力參數(shù)協(xié)同控制。抽真空可壓實(shí)真空袋內(nèi)未固化的制品，也可抽除袋內(nèi)的溶劑氣體、吸附或裹入氣體以及反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。相對(duì)真空度應(yīng)根據(jù)氣體揮發(fā)譜線設(shè)定。通常，B 階段溫度前宜為- 0.080~ - 0.060 MPa，C 階段加全壓前宜小于-0.097MPa，凝膠溫度后宜大于- 0.080MPa。
(4) 真空袋的制作制作時(shí)可通過(guò)適當(dāng)增加透氣氈層和氣門(mén)嘴數(shù)量來(lái)提高抽真空效果。氈層厚度和氣門(mén)嘴數(shù)量以保證袋內(nèi)氣體抽取路徑的暢通，并使正負(fù)氣壓完全壓實(shí)袋內(nèi)毛坯為宜，避免構(gòu)件內(nèi)部形成孔隙和疏松。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在模具上開(kāi)設(shè)氣門(mén)嘴安裝孔，在毛坯表面螺旋纏繞繩形氈層，可增加抽真空效果。
(5) 后處理常指將脫模后的毛坯通過(guò)梯度加熱來(lái)消除內(nèi)部應(yīng)力并提高樹(shù)脂反應(yīng)程度的方法。處理時(shí)應(yīng)避免溫度的急升急降，且爐內(nèi)溫差不宜大于3 ℃ 。
(6) 固化度指樹(shù)脂的固化反應(yīng)程度。固化度過(guò)低，較多的殘余活性基團(tuán)將在后續(xù)反應(yīng)中增加構(gòu)件的放氣率，并大大增加壁厚泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。固化度過(guò)高，交聯(lián)的樹(shù)脂將更早進(jìn)入老化階段，使用壽命因此而大大縮短。通常，固化度宜控制在90%~95%。
(7) 孔隙率指構(gòu)件內(nèi)部的孔隙總含量�？紫兑蛭健⒎磻�(yīng)及溶劑氣體排除不盡造成，可通過(guò)監(jiān)控設(shè)備對(duì)氣體排除過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，也可通過(guò)調(diào)節(jié)制造工藝參數(shù)減少其含量。構(gòu)件中孔隙的數(shù)量、大小可用超聲波、射線等無(wú)損檢測(cè)手段進(jìn)行定性判別，也可通過(guò)顯微鏡法定量測(cè)試，還可通過(guò)測(cè)試密度、樹(shù)脂含量、纖維體積含量等數(shù)據(jù)來(lái)?yè)Q算出孔隙含量。通常，孔隙率應(yīng)在2%以下。
2.2.3.3、機(jī)加工工藝控制措施
加工時(shí)應(yīng)控制好以下幾個(gè)方面，避免形成污染和損傷。
(1) 選擇導(dǎo)熱性好的銳利碳化物刀具進(jìn)行機(jī)加工，如聚晶金剛石刀。必要時(shí)還應(yīng)借助揮發(fā)性好的有機(jī)溶劑進(jìn)行冷卻。
(2) 制定合適的工藝參數(shù)，如進(jìn)給量、轉(zhuǎn)速等。進(jìn)給量適宜控制在0.05- 0.15 mm，轉(zhuǎn)速控制在200r/min 以上，精銑時(shí)則應(yīng)控制在400 r/min 以上。
(3) 做好防護(hù)措施，避免損傷和污染。如： 鉆孔時(shí)，應(yīng)在加工表面墊一塊防護(hù)板，避免孔邊緣分層或開(kāi)裂; 裝卸和搬運(yùn)時(shí)，應(yīng)用潔凈塑料薄膜包裹，裝包裝箱運(yùn)輸。
(4) 使加工后表面具有較好的表面粗糙度，減小對(duì)外界氣體的吸附能力。通常Ra<3.2 um。
(5) 加工過(guò)程中應(yīng)用除塵吸風(fēng)裝置及時(shí)吸取粉塵和冷卻液氣體。
2.2.3.4、膠接工藝控制措施
據(jù)真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)提供的文獻(xiàn)，有機(jī)膠粘劑的透氣率普遍比金屬、陶瓷、玻璃等無(wú)機(jī)材料高2 個(gè)數(shù)量級(jí)，因而在高真空環(huán)境中工作的復(fù)合材料構(gòu)件壁面上應(yīng)盡量少用膠接工藝。使用膠接工藝時(shí)應(yīng)控制好以下幾點(diǎn)：
(1) 優(yōu)先選擇韌性好、出氣率低的液態(tài)膠粘劑。
(2) 膠接環(huán)境的溫度、相對(duì)濕度、潔凈度等應(yīng)滿足使用要求。通常，溫度為5~30 ℃ 、相對(duì)濕度<65%、潔凈度105 級(jí)。
(3) 膠接部位的設(shè)計(jì)應(yīng)便于清潔、檢漏和修補(bǔ),膠接間隙宜設(shè)計(jì)為0.1~ 0.2 mm。
(4) 膠接區(qū)域應(yīng)減少受力，膠接表層的纖維方向應(yīng)與制品承載方向一致。
(5) 膠接面應(yīng)進(jìn)行粗化或活化處理及清洗，膠接時(shí)宜涂膠2 次以上，應(yīng)及時(shí)除去膠液中裹入的氣體。
(6) 引入超聲波、X 射線、局部氦質(zhì)譜檢漏等無(wú)損檢測(cè)手段即時(shí)確定膠層中是否有內(nèi)部孔隙等缺陷及漏孔，并在模擬的極限使用條件下檢測(cè)膠接區(qū)域是否出現(xiàn)損壞或泄漏。
2.2.3.5、涂層工藝控制措施
指通過(guò)涂/鍍的方式對(duì)制品或阻擋薄膜表面進(jìn)行防護(hù)處理，以形成一個(gè)物化性能穩(wěn)定、韌性致密、低放氣率的防護(hù)層，如膠態(tài)石墨、氟涂料、丁醋酸乙烯脂涂層等，以減少?gòu)?fù)合材料構(gòu)件的放氣。應(yīng)控制好以下幾點(diǎn)：
(1) 優(yōu)先選擇以金屬鍵或化學(xué)鍵等高價(jià)鍵能結(jié)合的涂層材料，如金屬鋁膜、氟碳類涂層等，它們具有較低的放氣率和透氣率。
(2) 基材表面應(yīng)經(jīng)過(guò)表面清洗和活化處理，必要時(shí)應(yīng)在面層與基材之間增加柔韌性過(guò)渡層。
(3) 控制好涂層的工藝壓力和沉積速率，以獲得致密涂層。
(4) 保持工作表面和涂層面的清潔。
(5) 制作完成的構(gòu)件，應(yīng)在高溫真空烘烤或低溫壁板除氣后進(jìn)行氦質(zhì)譜總體檢漏。檢驗(yàn)合格后放入真空環(huán)境儲(chǔ)存或用塑料袋封存。
2.2.3.6、過(guò)程質(zhì)量控制措施
包含工序檢驗(yàn)、隨爐試件性能測(cè)試、無(wú)損檢測(cè)和氦質(zhì)譜檢漏。應(yīng)做到：
(1) 工序檢驗(yàn)中，對(duì)操作內(nèi)容、方法和工藝參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢驗(yàn)確認(rèn)。
(2) 隨爐試件需要由制品生產(chǎn)操作人員，使用與制品相同的材料、工藝方法和設(shè)備，在同一操作環(huán)境中進(jìn)行制作，使試件盡可能完整地反映出制品的真實(shí)狀態(tài)。
(3) 用超聲波、射線等無(wú)損檢測(cè)、敲擊法等手段檢查部件中是否有氣孔、夾雜、分層、開(kāi)裂、脫膠、疏松等缺陷，用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測(cè)部件或某部位是否漏氣。
2.3、使用和維護(hù)
某些環(huán)境條件，如高溫?zé)g、液氦低溫、熱循環(huán)、濕熱、輻射、沖擊、腐蝕等可使構(gòu)件表面碳化，產(chǎn)生應(yīng)力、變形、裂紋和泄漏，加速老化和裂解，因而應(yīng)根據(jù)具體情況制定防護(hù)措施，多層次多角度防護(hù)，以提高材料的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。
2.3.1、包裝、運(yùn)輸、貯存
應(yīng)用軟質(zhì)防振材料將構(gòu)件密封包覆，裝專用包裝箱運(yùn)輸后，貯存在具備一定溫度、濕度和潔凈度條件的庫(kù)房?jī)?nèi)。貯存期內(nèi)，應(yīng)控制好環(huán)境條件，定期檢查產(chǎn)品外觀，按規(guī)范要求填寫(xiě)記錄，及時(shí)反映情況。在運(yùn)輸后和交付使用前應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的實(shí)際氣密狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)確認(rèn)，確保產(chǎn)品的可靠性。若產(chǎn)品已經(jīng)失效或經(jīng)修補(bǔ)也無(wú)法滿足使用要求，則應(yīng)作報(bào)廢處理。
2.3.2、使用要求
使用時(shí)，應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行操作，避免給構(gòu)件質(zhì)量帶來(lái)隱患或造成意外損傷。
2.3.3、維護(hù)
若構(gòu)件在貯存和使用過(guò)程中發(fā)生意外損傷，如表面污染、碰撞損壞、產(chǎn)生裂紋、涂層脫落等，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清洗、灌膠修補(bǔ)、補(bǔ)充涂層等防護(hù)處理，并通過(guò)氦質(zhì)譜檢漏儀檢測(cè)確定是否可以繼續(xù)使用。
2.4、實(shí)例
某長(zhǎng)波焦平面探測(cè)器組件中的蓄冷器筒體采用了環(huán)氧/ 玻纖復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其毛坯形狀如圖1。筒體工作時(shí)兩端溫度分別為- 230 ℃ 和- 150 ℃ ，使用壽命8000 h。其真空氣密性能指標(biāo)和檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
圖 蓄冷器筒體毛呸圖
表2 蓄冷器筒體真空氣密性能數(shù)據(jù)
(1) 改進(jìn)前： 采用濕法纏繞工藝成型毛坯。因溶劑含量過(guò)高、張力不均勻、布層起皺變形，抽真空固化造成局部疏松、分層，導(dǎo)致?tīng)t次合格率僅50%。在使用3~ 6 個(gè)月后，有30~ 40% 的構(gòu)件出現(xiàn)漏氣,漏孔為1~ 5 處，氦檢漏率最大為7.8 × 10-6 Pa.m3/ s。
(2) 改進(jìn)措施： 一是改用低溫性能更好的樹(shù)脂體系; 二是將成型方法改為先制造預(yù)浸料再干法纏繞;三是通過(guò)改進(jìn)纏繞張力、溫度等工藝參數(shù)減少內(nèi)部的孔隙和分層缺陷; 四是改用瑞士微型精密車床及特制刀具，改進(jìn)機(jī)加工參數(shù)減少毛坯表面損傷。
(3) 改進(jìn)后： 爐次合格率達(dá)95% 以上。產(chǎn)品交付使用后，未出現(xiàn)漏氣或揮發(fā)性氣體冷凝并堵塞氦氣流通路徑的現(xiàn)象。
3、結(jié)論
(1) 放、漏氣等真空氣密性問(wèn)題具有普遍性和危害性，有必要展開(kāi)改進(jìn)材料真空氣密性能的研究。
(2) 要使復(fù)合材料構(gòu)件在真空度小于10-3 Pa 等空間環(huán)境條件下漏率小于10-10 Pa.m3/ s、總質(zhì)量損失小于1.00% 、可凝揮發(fā)物小于0.10%，應(yīng)從設(shè)計(jì)、制造和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)采取系統(tǒng)性的措施。
(3) 從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和使用維護(hù)三個(gè)方面采取系統(tǒng)性措施后，可制出真空氣密性能較高的復(fù)合材料構(gòu)件。
