复合材料构件真空气密性能的提升技术研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海复合材料科技有限公司 作者:黄道明

  在简述某复合材料在空间领域的应用事例之后,指出改进真空气密性能的必要性。在归纳热固性树脂基复合材料真空气密性问题的特点之后,提出要使复合材料构件在真空度小于10-3Pa 等空间环境条件下漏率小于10-10 Pa.m3/s、总质量损失小于1.00%、可凝挥发物小于0.10%,应从设计、制造和使用的各个环节采取系统性的措施。随后从材料选择、结构设计、工艺路线设计、工艺方法选择、工艺控制措施、包装、运输、贮存、使用和维护方面,共计介绍了数十条可提升真空气密性能的技术措施,并通过实例验证了技术措施的有效性。

  随着科学技术的发展,具有轻质、高强、可灵活设计特点的复合材料在航空航天、武器装备、医疗、体育、运输等军民领域得到了越来越广泛的应用。然而,象其它材料一样,复合材料也具有一些相对较弱却要足够重视的性能,有时这些性能甚至还会严重影响构件的正常使用。例如,真空气密性能低于不锈钢、铝等金属材料的某树脂基复合材料应用在轨道航天器上时,在3~4 K低温、高真空并有原子氧、电子辐射、紫外辐照、冷热交变、碎片撞击等的空间环境下发生的一处微小放气和漏气造成了加速度的改变,进而引起整个航天器运动轨道和姿态的改变,酿成了重大事故。实际上,较应用环境条件苛刻的空间领域,复合材料真空气密性问题的事例在其它领域中也是经常发生,只是危害程度轻一些而已,因而有必要展开改进材料真空气密性能的研究。

  据真空技术网(http://www.chvacuum.com/)提供的资料,真空气密性问题主要包括材料的放气和漏气两大类,放、漏气的合格指标因具体使用要求而不同。放气是由于真空条件下材料发生蒸发、升华、反应和降解造成,在地面上时衡量指标主要为出气速率、出气量及出气成份,在空间领域时则为质量损失和可凝挥发份。漏气即为构件各零部件发生的气体泄漏,衡量指标主要为个别部件漏率或总漏率。通常,空间复合材料的真空气密性能指标为: 在真空度小于10-3 Pa 等空间环境条件下,漏率小于10-10 Pa.m3/ s、总质量损失小于1.00% 、可凝挥发物小于0.10%。为了提升复合材料的真空气密性能,降低放气率、漏气率及其带来的不良影响,业内人士进行了多年的研究和探索。由于不同材料的真空气密机理、影响因素和改进措施均差异较大,限于篇幅,本文仅以空间用热固性树脂基复合材料构件为研究对象,系统性地介绍可提升其真空气密性能的技术措施。

1、复合材料真空气密性问题的特点

  应用范围广泛的热固性树脂基复合材料以基体树脂和增强纤维为主要原料,按一定工艺成型后,经固化交联反应后形成的高比强高比模构件,其真空气密性问题具有如下特点:

  (1) 真空环境与构件的放、漏气之间相互影响。真空会加剧材料放、漏气的速率和量,漏、放气也会影响真空环境的获得,有时放气也可能是壁厚即将发生泄漏的先兆。

  (2) 漏放气问题受到自身材料和结构、制造工艺和使用环境的多重影响,显得非常复杂。即使是同种材料,在结构、制造工艺和使用环境不同时,不同构件甚至同一构件的不同部位的真空气密性能也会不同。

  (3) 构件放出的气体分为吸附解溶气体、溶剂挥发气体、反应气体和老化降解气体四类,成分包括H2O、CO、CH4、H2、CO2 等和其它低分子产物,其中H2O的含量最多。放气存在于构件寿命期内的不同阶段并以不同趋势衰变和波动,总体上看,质量损失会在一定条件下随时间趋于饱和,未被收集的可凝挥发物也容易造成器件污染。

  (4) 构件内部容易产生孔隙、疏松、裂纹和夹杂等缺陷,缺陷处易发生气体泄漏。有时,还会因环境条件变化而发生冷漏、超漏的情况。

  真空气密性问题的复杂,使得单一的技术措施难以彻底进行解决。根据经验和有关文献,空间复合材料的真空气密性能,需要从设计、制造和使用的各个环节采取措施进行系统性地提升。通常,在应用到正式产品前,要实测其出气数据,严格检漏,确定其真空气密性能是否满足设计要求,应用到空间领域前还要经多次地面模拟试验验证和空间飞行考核。

2、真空气密性能的提升技术

  提升技术措施基于放气和漏气的发生机理,贯穿产品设计、工艺设计到使用维护的整个过程,可预防或减少复合材料构件的真空气密性问题。

2.1、产品设计

  客观上,没有绝对真空致密的材料,设计时应以满足使用要求为标准,将真空气密性能指标设定在合理的范围。通常,包含材料体系的选择和结构设计。

2.1.1、材料体系的选择

  复合材料的原材料包含基体树脂、增强纤维、填料、助剂和胶粘剂等。常用的基体树脂有不饱和聚酯、环氧、酚醛、双马来酰亚胺、聚酰亚胺等,增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、PBO纤维等,填料有玻璃微珠、铝粉、碳酸钙、二硫化钼、钛酸钡等,助剂有偶联剂、消泡剂等,胶粘剂则分为有机、无机两大类。选择时应注意以下几点。

  (1) 树脂体系包含树脂、固化剂和引发剂等,选择时应注意: 一是优先选择无溶剂树脂体系,减少溶剂的影响; 二是树脂体系应具有较低的粘度,利于气体的排除; 三是树脂体系固化类型应为加成聚合类,可形成较大化学键能的高密度分子结构,较少生成小分子气体产物,较少残留活性官能团; 四是树脂体系及固化物应具较低的吸湿量; 五是固化后的树脂分子链上活性官能团应较少,较难再次发生化学反应; 六是树脂浇注体应具有较好的韧性,以减少制品变形或纤维界面应力破坏,断裂伸长率常以5% 以上为宜。据有关制品的使用结果,氰酸酯树脂和热塑性树脂的真空气密性能相对优于常用的酚醛、环氧、不饱和聚酯等类树脂。

  (2) 增强纤维由于纤维的表面是较易发生气体吸附、渗透和泄漏的区域,选择时应注意: 一是应多选择浸润性好、低TEX 数、高模量、直径较粗、线膨胀系数低的短切纤维、连续单向无捻或低捻纤维以及厚度较薄的织物; 二是纤维表面的多余杂质或缺陷应容易清理,且清理后容易与活性分子发生反应;三是应采用合适的方式对纤维进行表面处理,以获得强而韧的界面层,以减少某些环境下界面损伤带来的影响; 四是纤维应具有和树脂相接近的断裂伸长率,以减少材料不同步变形时界面的损坏。根据经验,玻璃纤维增强的复合材料真空气密性相对更好。

  (3) 填料填料的使用可使构件获得平整光洁的表面。选择时,应考虑填料的外形尺寸、添加比例、表面活性及其在树脂体系中的分散性,必要时应先进行表面处理。

  (4) 助剂适量助剂的使用可改善树脂胶液的工艺性,还可提高构件的致密程度。这是因为: 偶联剂的分子链两端可分别与纤维和树脂发生化学反应,从而提高纤维和树脂分子之间结合力,减少内部结构分层缺陷; 消泡剂可快速消除胶液中的气泡并抑制新气泡的产生,从而减少构件内部孔隙缺陷的尺寸和数量。选择时,应考虑助剂与树脂、纤维间的反应活性,及其给构件性能带来的影响。

  (5) 胶粘剂用于零部件之间的胶接装配。应尽量选择剪切强度高、韧性好、工艺性好、无气体固化产物、胶层真空出气率低的胶粘剂,并通过合适的表面处理和涂覆工艺获得致密的胶层。例如,某型号舰用部件采用多个金属与复合材料构件胶接的结构,选用某国产双组份胶粘剂,采用分次涂胶和除气工艺,胶接后胶层的氦气漏率小于2.0 ×10-8 Pa.m3/s。

2.1.2、结构设计

  设计时应综合考虑载荷条件、材料性能、环境、工艺手段、运输安装、检验测试、维护、寿命、使用工况、成本等因素,既保证构件能安全可靠使用,又可以发挥其轻质、高强、可设计的优势。在几何结构设计方面,要特别注意以下几点:

  (1)避免出现壁厚过薄和厚度不均匀性的设计。不均匀结构易产生应力,进而导致薄壁面产生裂纹或使局部裂纹扩展成漏孔,因而设计时特别注意结构形态和配合尺寸是否合理。一般壁厚不得小于1 mm,薄壁面转折处半径宜大于2.5 mm,厚薄变化不宜大于50%。

  (2)避免在壁厚方向上设计有通孔。通孔的设计破坏了原壁面的完整,需要通过另外的密封方式进行密封,这将增加壁面漏气的风险。设计通孔时,还应注意通孔形状、尺寸、间距、边距等参数的设计,防止孔壁和周边出现损伤而形成漏孔。

  (3)适当增加加强筋/ 肋。在壁厚较薄、不均匀、表面积较大且承受载荷较大时,加强筋/肋可提高结构的稳定性,减少应力、变形和破坏,进而降低壁面漏气的风险。筋/ 肋应以外形矮、数量多、分散均匀、边缘处圆滑过渡为宜。通常,过渡圆角应大于R1。

  (4) 模具成型面上应设计有适当脱模斜度。对固化收缩大、外形复杂、成型表面较小且修补不便的构件,适当斜度可降低脱模难度,减少成型表面的变形和损伤,避免因损伤而造成气体泄漏。一般,脱模斜度不应小于0.5℃。

  (5) 预埋嵌件的特殊要求。嵌件可提高构件的尺寸稳定性和某些性能,还可给机械连接提供方便,但其结合界面处易产生应力破坏、分层甚至贯穿性漏孔。因而,设计时应选取合适的材质,进行表面处理,并保持嵌件表面具有足够厚度的复合材料层。通常,材料层厚度应大于嵌件直径的3/4,或保持在1.5 mm 厚以上。

2.2、工艺设计

  指在要求的生产速度下为制造出合格产品而采取的低成本方法、手段和控制措施,具体包含工艺路线的设计、工艺方法的选择和工艺控制措施。设计时,应优先选择结构功能一体化的新设计方案以及多种工艺复合后形成的新工艺。新设计可使材料、结构优化后的构件同时具有高性能、多功能和高可靠性。新工艺则具有低成本、高效率的特点,可适应大批量化生产的需要。

2.2.1、工艺路线的设计

  应将各工序安排合理、紧凑,便于过程气体的及时排除,避免工序间隔时间过长,以减少气体吸附及多余化学反应的发生,确保产品的生产过程可控。

2.2.2、工艺方法的选择

  包括选择那些可减少构件形成孔隙、分层、裂纹缺陷,污染和损伤,进而避免构件发生泄漏的成型、固化、机加工、胶接和表面涂层等工艺方法。

  (1) 成型工艺应优先选择纤维体积含量较低、有适当成型压力的工艺方法,包括RTM 成型、纤维缠绕成型、铺层成型、模压成型等。成型时要尽量避免带入气体,对已裹入成型毛坯中的气体,要在适当的工序及时排除。

  (2) 固化工艺应优先选择那些可抽真空除气及均匀施加外部压力的固化工艺,如: 模压、液压釜、热压罐以及抽真空固化等。

  (3) 机加工工艺常用的有车削、钻孔、铣切、镗削、磨削、抛光、水切割等类型,应优先选择状态稳定、精加工能力强的数控设备,保证加工中工件的安全,避免造成产品损伤,给真空气密性能带来隐患。

  (4) 胶接工艺包括胶粘剂选择及复验、预装配、表面处理、胶接装配、固化和清理修整等工序内容。应优先选择放气率低的无机胶粘剂,采用胶接和机械连接的混合连接方式,并有环境控制、表面处理、脱泡控制措施。

  (5) 表面涂层常用的有模内涂层、气相沉积、油漆喷涂、火焰喷涂等类型,应选择放气率低的涂层,有表面处理和涂层保护控制措施。

2.2.3、工艺控制措施的设计

  指为了实现成型、固化、机加工、胶接、涂层等制造过程中的工步操作质量指标,减少孔隙、夹杂、分层、裂纹等各类缺陷,避免给构件的气密安全带来隐患或造成构件破坏形成泄漏,而应注意的操作细节和应采取的控制措施。

2.2.3.1、成型工艺控制措施

  (1) 环境的控制包括对环境温度、相对湿度、洁净度、光照、通风等参数的控制。需要进行环境控制的工序有预浸料制作、缠绕、胶接等。通过控制可以减少对气体、水分和粉尘的吸附,避免构件内产生孔隙、裂纹和夹杂。一般以温度15~ 25 ℃ 、相对湿度[60%、洁净度105 级、有进排风装置并可换气为宜。

  (2) 表面处理指为了增加与树脂之间的粘结力,减少构件内部出现分层而进行的纤维、夹层和嵌件表面处理。具体方法有: 清洗、刻蚀、氧化、接枝等纤维处理,以及喷砂、磷酸阳极化、化学处理、电晕处理等嵌件和夹层的处理。选择时应注意处理方法与材质类型的匹配,应控制好处理工艺参数。

  (3) 预浸料制作包括无纬布、预浸织物和预混料的制作。制作时应控制好展纱宽度、纤维张力、树脂粘度、浸渍时间等工艺参数,保证预浸料的树脂含量指标大于35%,挥发份指标小于5% 。储存时应做好密封,避免吸附过多的环境气体和水分。

  (4) 成型过程:胶液配制配制后,可采取抽真空10 min 以上或添加0.5% ~ 1.5% 消泡剂,以除去树脂胶液中的气泡。RTM 成型采用机械或手工编织的方式成型纤维预成型体时,需要避免纤维的严重搭接和紧密堆积的情况,应在纤维束/ 层之间留有适当孔隙或者增加开放型的增强体层,并尽量使纤维的方向与树脂的流向相同。由于没有外部加压,在注射过程中,可结合使用注射压力和抽真空手段、铺设导流网、降低树脂粘度、延长浸渍时间来保证纤维浸润和气体排除的效果。缠绕成型湿法缠绕时通过纱片宽、缠绕速度、缠绕张力以及胶槽中胶液密度和深度等的控制来获得致密的制品,干法缠绕时则主要对成型温度和压力参数进行控制,当采取干法铺层和湿法缠绕相结合的混合工艺时应重点对成型厚度进行控制,必要时还应采取分次缠绕。

  铺层成型成型时,应避免纤维方向与厚度方向平行,减少纤维皱折和架桥,必要时可通过抽真空预压、碾压等方式排除出裹入的气体,使铺层平整、服帖。若有条件,应尽可能采用计算机控制的自动铺层技术替代传统的手工铺层,提高铺层质量及其稳定性。

  模压成型除了控制好温度和压力两个主要工艺参数,还应控制好物料的预热、装料、排气等操作细节,把握好加压时机,使物料在凝胶前尽可能地充满整个模腔并排出物料中的溶剂气体、空气及反应气体。有条件时应引入在线检测和压力自动补给技术提高对模压过程的监测和控制力度。

  内部阻挡层的铺设指在缠绕、铺层等成型过程中,在指定部位的结构内部铺设低渗透率的阻挡层来提高壁面的真空气密性。常用的阻挡层有:聚酰亚胺、尼龙、涤纶、赛纶、聚乙烯、聚碳酸酯薄膜(各材料的氦气漏率数据如表1 所示) 以及金属箔片,也有采用在涤纶表面镀金属膜或在金属基底上沉积TiN 或BN 薄膜的方法制取的复合型阻挡层,还有将细至纳米级的大理石、尼龙或铝等粉末调入树脂的方式在内部某处形成的致密层。铺设前应对阻挡层材料进行表面处理。

表1 各种材料的氦气漏率

各种材料的氦气漏率

  (5) 纤维体积含量指标的控制

  真空环境下,纤维的放气率低于树脂浇铸体的放气率,但纤维体积含量越高,复合材料就越容易产生疏松、分层和裂纹缺陷,漏气的可能性也就越大。根据经验,纤维体积含量控制在50% ~ 65% 时可较好地兼顾真空气密性能和力学性能。

  (6) 脱模剂的影响

  有内、外脱模剂之分,主要有硬脂酸锌、镁、铝等金属盐以及过氯乙烯、聚乙烯醇、石蜡、醋酸纤维素、硅酯、硅油等。在使用时应尽量少用硅类脱模剂,避免因其渗入制品而造成裂纹。对于脱模后残留在制品表面的脱模剂层应通过表面打磨和溶剂清洗等方式去除。

2.2.3.2、固化工艺控制措施

  指通过对温度、压力、相对真空度等参数的控制,使树脂达到要求的固化程度。

  (1) 温度主要指对升降温速率以及保温时间的参数控制。通常,以模具温度为准,将升降温速率制在0.3~ 1.5 ℃/min,太快或太慢均易造成树脂反应不均匀、气泡排除不尽、产生固化应力甚至形成疏松和裂纹缺陷。另外,设备应具有足够的精度,温度波动度不大于 1 ℃ ,炉内温差应不大于2 ℃ 。

  (2) 压力主要指对升降压速率、保压时间、压力大小等参数和加压时机的控制,其中加压时机应给予特别的注意。加压过早,易造成树脂过多流失,形成内部缺胶和疏松; 加压过迟,压力难以使部分凝胶的树脂流动,易造成内部裂纹、疏松和孔隙。通常,加压时机的选取方法为: 模压工艺为树脂开始拉丝之时,热压罐或液压釜工艺可通过温度( 由DSC 或DDA 测定的凝胶温度) 指示来判断,或者根据树脂气体挥发谱线选取在气体剧烈产生之前。

  (3) 相对真空度指真空袋里气体压力与大气压之间的差值,其理论极限为- 0.1 MPa,在固化工艺中常和温度、压力参数协同控制。抽真空可压实真空袋内未固化的制品,也可抽除袋内的溶剂气体、吸附或裹入气体以及反应产生的气体。相对真空度应根据气体挥发谱线设定。通常,B 阶段温度前宜为- 0.080~ - 0.060 MPa,C 阶段加全压前宜小于-0.097MPa,凝胶温度后宜大于- 0.080MPa。

  (4) 真空袋的制作制作时可通过适当增加透气毡层和气门嘴数量来提高抽真空效果。毡层厚度和气门嘴数量以保证袋内气体抽取路径的畅通,并使正负气压完全压实袋内毛坯为宜,避免构件内部形成孔隙和疏松。根据经验,在模具上开设气门嘴安装孔,在毛坯表面螺旋缠绕绳形毡层,可增加抽真空效果。

  (5) 后处理常指将脱模后的毛坯通过梯度加热来消除内部应力并提高树脂反应程度的方法。处理时应避免温度的急升急降,且炉内温差不宜大于3 ℃ 。

  (6) 固化度指树脂的固化反应程度。固化度过低,较多的残余活性基团将在后续反应中增加构件的放气率,并大大增加壁厚泄漏的风险。固化度过高,交联的树脂将更早进入老化阶段,使用寿命因此而大大缩短。通常,固化度宜控制在90%~95%。

  (7) 孔隙率指构件内部的孔隙总含量。孔隙因吸附、反应及溶剂气体排除不尽造成,可通过监控设备对气体排除过程进行在线监测,也可通过调节制造工艺参数减少其含量。构件中孔隙的数量、大小可用超声波、射线等无损检测手段进行定性判别,也可通过显微镜法定量测试,还可通过测试密度、树脂含量、纤维体积含量等数据来换算出孔隙含量。通常,孔隙率应在2%以下。

2.2.3.3、机加工工艺控制措施

  加工时应控制好以下几个方面,避免形成污染和损伤。

  (1) 选择导热性好的锐利碳化物刀具进行机加工,如聚晶金刚石刀。必要时还应借助挥发性好的有机溶剂进行冷却。

  (2) 制定合适的工艺参数,如进给量、转速等。进给量适宜控制在0.05- 0.15 mm,转速控制在200r/min 以上,精铣时则应控制在400 r/min 以上。

  (3) 做好防护措施,避免损伤和污染。如: 钻孔时,应在加工表面垫一块防护板,避免孔边缘分层或开裂; 装卸和搬运时,应用洁净塑料薄膜包裹,装包装箱运输。

  (4) 使加工后表面具有较好的表面粗糙度,减小对外界气体的吸附能力。通常Ra<3.2 um。

  (5) 加工过程中应用除尘吸风装置及时吸取粉尘和冷却液气体。

2.2.3.4、胶接工艺控制措施

  据真空技术网(http://www.chvacuum.com/)提供的文献,有机胶粘剂的透气率普遍比金属、陶瓷、玻璃等无机材料高2 个数量级,因而在高真空环境中工作的复合材料构件壁面上应尽量少用胶接工艺。使用胶接工艺时应控制好以下几点:

  (1) 优先选择韧性好、出气率低的液态胶粘剂。

  (2) 胶接环境的温度、相对湿度、洁净度等应满足使用要求。通常,温度为5~30 ℃ 、相对湿度<65%、洁净度105 级。

  (3) 胶接部位的设计应便于清洁、检漏和修补,胶接间隙宜设计为0.1~ 0.2 mm。

  (4) 胶接区域应减少受力,胶接表层的纤维方向应与制品承载方向一致。

  (5) 胶接面应进行粗化或活化处理及清洗,胶接时宜涂胶2 次以上,应及时除去胶液中裹入的气体。

  (6) 引入超声波、X 射线、局部氦质谱检漏等无损检测手段即时确定胶层中是否有内部孔隙等缺陷及漏孔,并在模拟的极限使用条件下检测胶接区域是否出现损坏或泄漏。

2.2.3.5、涂层工艺控制措施

  指通过涂/镀的方式对制品或阻挡薄膜表面进行防护处理,以形成一个物化性能稳定、韧性致密、低放气率的防护层,如胶态石墨、氟涂料、丁醋酸乙烯脂涂层等,以减少复合材料构件的放气。应控制好以下几点:

  (1) 优先选择以金属键或化学键等高价键能结合的涂层材料,如金属铝膜、氟碳类涂层等,它们具有较低的放气率和透气率。

  (2) 基材表面应经过表面清洗和活化处理,必要时应在面层与基材之间增加柔韧性过渡层。

  (3) 控制好涂层的工艺压力和沉积速率,以获得致密涂层。

  (4) 保持工作表面和涂层面的清洁。

  (5) 制作完成的构件,应在高温真空烘烤或低温壁板除气后进行氦质谱总体检漏。检验合格后放入真空环境储存或用塑料袋封存。

2.2.3.6、过程质量控制措施

  包含工序检验、随炉试件性能测试、无损检测和氦质谱检漏。应做到:

  (1) 工序检验中,对操作内容、方法和工艺参数是否符合设计要求进行检验确认。

  (2) 随炉试件需要由制品生产操作人员,使用与制品相同的材料、工艺方法和设备,在同一操作环境中进行制作,使试件尽可能完整地反映出制品的真实状态。

  (3) 用超声波、射线等无损检测、敲击法等手段检查部件中是否有气孔、夹杂、分层、开裂、脱胶、疏松等缺陷,用氦质谱检漏仪检测部件或某部位是否漏气。

2.3、使用和维护

  某些环境条件,如高温烧蚀、液氦低温、热循环、湿热、辐射、冲击、腐蚀等可使构件表面碳化,产生应力、变形、裂纹和泄漏,加速老化和裂解,因而应根据具体情况制定防护措施,多层次多角度防护,以提高材料的可靠性,延长其使用寿命。

2.3.1、包装、运输、贮存

  应用软质防振材料将构件密封包覆,装专用包装箱运输后,贮存在具备一定温度、湿度和洁净度条件的库房内。贮存期内,应控制好环境条件,定期检查产品外观,按规范要求填写记录,及时反映情况。在运输后和交付使用前应对产品的实际气密状态进行检验确认,确保产品的可靠性。若产品已经失效或经修补也无法满足使用要求,则应作报废处理。

2.3.2、使用要求

  使用时,应按规范进行操作,避免给构件质量带来隐患或造成意外损伤。

2.3.3、维护

  若构件在贮存和使用过程中发生意外损伤,如表面污染、碰撞损坏、产生裂纹、涂层脱落等,应及时进行清洗、灌胶修补、补充涂层等防护处理,并通过氦质谱检漏仪检测确定是否可以继续使用。

2.4、实例

  某长波焦平面探测器组件中的蓄冷器筒体采用了环氧/ 玻纤复合材料结构,其毛坯形状如图1。筒体工作时两端温度分别为- 230 ℃ 和- 150 ℃ ,使用寿命8000 h。其真空气密性能指标和检测数据见表2。

图 蓄冷器筒体毛呸图

蓄冷器筒体毛呸图

表2 蓄冷器筒体真空气密性能数据

蓄冷器筒体真空气密性能数据

  (1) 改进前: 采用湿法缠绕工艺成型毛坯。因溶剂含量过高、张力不均匀、布层起皱变形,抽真空固化造成局部疏松、分层,导致炉次合格率仅50%。在使用3~ 6 个月后,有30~ 40% 的构件出现漏气,漏孔为1~ 5 处,氦检漏率最大为7.8 × 10-6 Pa.m3/ s。

  (2) 改进措施: 一是改用低温性能更好的树脂体系; 二是将成型方法改为先制造预浸料再干法缠绕;三是通过改进缠绕张力、温度等工艺参数减少内部的孔隙和分层缺陷; 四是改用瑞士微型精密车床及特制刀具,改进机加工参数减少毛坯表面损伤。

  (3) 改进后: 炉次合格率达95% 以上。产品交付使用后,未出现漏气或挥发性气体冷凝并堵塞氦气流通路径的现象。

3、结论

  (1) 放、漏气等真空气密性问题具有普遍性和危害性,有必要展开改进材料真空气密性能的研究。

  (2) 要使复合材料构件在真空度小于10-3 Pa 等空间环境条件下漏率小于10-10 Pa.m3/ s、总质量损失小于1.00% 、可凝挥发物小于0.10%,应从设计、制造和使用的各个环节采取系统性的措施。

  (3) 从产品设计、工艺设计和使用维护三个方面采取系统性措施后,可制出真空气密性能较高的复合材料构件。

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