3D打印优化热塑性复合材料蜂窝夹层结构，嵌入式胶结工艺提升板芯剥离强度

摘 要：

热塑性复合材料因其在飞行器使用及维护方面的显著优势，已成为具有发展潜力的飞行器结构新型材料。某飞行器设备安装板为蜂窝夹层结构，通过上下面板胶结制备而成。为实现较为理想的胶结工艺，利用3D 打印可设计性特点，制备出了3 种不同胶结表面的热塑性碳纤增强尼龙复合材料面板，最后与Nomex 蜂窝进行胶结，得到了3 种热塑性碳纤增强尼龙复合材料夹层结构板。创新性地提出了一种Nomex 蜂窝与热塑性面板的特征嵌入式胶结工艺方法。经试验分析，结果显示，设计有嵌入特征结构的夹层板胶结强度优于其他两种胶结工艺的结构板，且嵌入式胶结工艺方法实现了较为理想的胶结破坏形式。该方法为蜂窝夹层结构的一体化、轻量化制造提供了一种可行的途径。类似结构可参照该方法进行优化分析及改进。

关键词： 熔融沉积; 热塑性复合材料; 碳纤维增强尼龙; 夹层板制备工艺; 试验

0 引言

随着飞行器性能的不断提升，热塑性复合材料在飞行器使用维护方面的巨大优势，使其成为具有发展前景的飞行器结构用新型材料。热塑性复合材料是一种将纤维或填充材料与热塑性塑料基体结合的材料，这种组合不仅保证了原有组分的特性，还展现出了优异的可维护、可修复的特点。热塑性材料达到一定温度后，可实现二次成型，而热固性复合材料不具备这种特性[1-5];在二次制造或维护过程中，只需要进行加热软化，即可进行熔融焊接，损伤修复，可作为飞行器热塑性复合材料结构损伤修复的重要技术方法，提高了飞行器损伤维护性能[6-10]。目前先进热塑性复合材料树脂主要有聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚等，具有高耐热、耐环境特性，优异的抗冲击、抗疲劳、耐蠕变、耐腐蚀等特点，在航空航天领域主承力结构中大量应用，并且已实现批量稳定生产[11-12]。其制备方法主要涉及到缠绕、热压、树脂传递模塑(RTM)等工艺[13]。高聪等人在热塑性碳纤维/尼龙6 复合材料黏附优化及零件快速成型工艺方面进行了研究，提出了一种新型上浆剂，将基体与纤维的黏附强度提升了74.2%，并优化了连续模压成型工艺，制备出了汽车顶盖横梁[14]。Peter Kiss 等人为了利用热塑性复合材料的可回收性，研究了一系列碳纤维增强热塑性的内部回收和再利用路线[15]。Eckart Uhlmann 等人研究了一种重复使用碳纤维复合材料(CFRP)的方式，将CF/PPS 废料研磨为颗粒作为填充材料应用，为树脂材料的刚性和拉伸强度带来了不同的提升[16]。

大量学者对热塑性复合材料原材料制备、材料形态、生产方式、质量控制、回收利用路径、力学试验等方面进行了深入研究，主要采用热压成型、真空成型、模压、RTM 等成型工艺方法来制备零件。而采用熔融沉积技术打印的热塑性复合材料与热固性夹芯材料组合制备零件技术研究较少。故本文以某型飞行器设备安装夹层结构板为对象，采用热固性航空级Nomex 蜂窝为夹芯材料，利用熔融沉积打印技术可设计的特点，制备出了三种热塑性碳纤增强尼龙材料面板，并与Nomex 蜂窝进行胶结，得到了三种夹层结构。最后通过胶结强度剥离试验分析，发现设计有蜂窝与面板胶粘剂嵌入空间的夹层结构胶结效果明显优于其他两种光滑面板胶结夹层结构，且嵌入胶结形式实现了全面板胶结的良好胶结效果。

1 夹层结构板形式

某飞行器设备安装板为蜂窝夹芯结构，面板与蜂窝夹芯之间通过粘接层进行胶结，形成夹层结构板(图1)。该类型板类似工字梁中的翼板，承受面内拉压应力与面内剪切应力。芯子主要支撑面板垂直于面板的压缩应力和横向力产生的剪切应力，通过设计夹芯材料的厚度来提高截面惯性矩，进而提高结构的弯曲刚度及材料利用率。

安装板尺寸为100 mm×120 mm×10 mm。上下面板采用的材料为碳纤维增强尼龙材料。夹芯材料为航空级芳纶纸蜂窝(以下简称蜂窝)。蜂窝厚度为7 mm，面板厚度为1.5 mm。

2 夹层结构板设计优化

2.1 原因分析

现有夹层结构在使用过程中，夹层板会出现面板与夹芯材料脱粘现象，从而导致零件丧失功能。面板采用机械加工后打磨清洗和胶结的方式制造而成。通过对失效现象分析发现，其原因为蜂窝与面板胶结处产生弱粘接现象。基于此，开展面板与蜂窝胶结强度研究。

2.2 优化方法

为验证胶结黏附模式带来的影响，根据熔融沉积打印工艺原理(图2)设计了3 种胶结面板，分别为光滑面板、自有纹理面板、嵌入面板。光滑面板采用机械打磨清洗方式制备，自有纹理面板和嵌入面板采用打印后即为最终胶结制备面板。自有纹理面板与嵌入面板只是特征结构不同，在打印参数上一致，是沉积工艺中自有的挤出打印路径纹理，可作为良好的胶结制备表面，如图3所示。

2.3 嵌入面板设计

为增加蜂窝芯与面板之间的胶结面积，将嵌合面板与蜂窝之间增加嵌入槽，变相增加了蜂窝与面板之间的双侧胶结面积，根据使用的蜂窝边长及蜂窝侧壁厚度进行嵌入特征几何尺寸设计，如图4 所示。依据工程经验，将蜂窝嵌入面板的深度设计为0.5 mm，胶黏剂与蜂窝侧壁之间的胶结间隙为0.1 mm，蜂窝壁厚为0.05 mm，面板嵌入槽宽度为0.25 mm，如图5 所示。

2.4 制备工艺流程

根据设计特点和工艺操作方法，规划制备工艺流程如图6 所示。按照表面制备方法不同，将机械打磨方式设置为序号①，依次排序。

3 夹层结构板制备

3.1 制备材料及设备参数

碳纤维增强尼龙材料生产厂家为Stratasys，打印设备为Stratasys F900 mc。航空级芳纶纸蜂窝夹芯材料，北京复合材料易购科技有限公司，密度为32 kg/m³，压缩强度为0.9 MPa，L 向平面剪切强度为0.62 MPa，W 向平面剪切强度为0.37 MPa。碳纤维增强尼龙材料，密度为1.2 g/cm³，拉伸强度(X-Y 向)为95 MPa，拉伸强度(Z 向)为51 MPa，抗弯强度为58 MPa，压缩强度为67 MPa，拉伸模量为2.3 GPa，压缩模量为2.2 GPa，热变形温度为110 ℃。胶黏剂为SPJ1305 室温固化高韧性环氧树脂结构胶黏剂，甲乙组分，配比为100 ∶23，玻璃态转变温度为90 ℃，固化条件为室温固化4 h，加温至80 °，保持2 h，2A12 板-板搭接，阳极化，25 ℃下剪切强度≥20.0 MPa。

3.2 面板打印参数设置

根据图6 所示的夹层板制备工艺流程，首先进行面板的打印制造，然将三维模型转换成STL格式文件导入到Insight 软件中，进行切片参数设置。三种面板切片参数见表1。面板打印填充角度路径如图7 所示。

表 1　面板切片参数

3.3 试验样本设计

试样按照《GB/T 1446—2005 纤维增强塑料性能试验方法总则》进行试验样件制备。试样制造宽度为60 mm，厚度为10 mm。根据蜂窝L 向和W 向放置的不同，共有6 种样本，每种样本数量为5 个。样本编号依据蜂窝方向和数量进行排序，X 代表顺序号为1~5 (表2)。

表 2　试验样本数量

3.4 试验样本制备

图8 中1 号为打印后用机械打磨方式制备的光滑面板，2 号为自带打印纹理的自有纹理面板，3 号为设计有嵌合特征的嵌入面板。三种面板最终均按照胶结表面制备工艺进行洁净度检测。

将蜂窝夹芯材料按照L 向和W 向进行制备，裁剪合适尺寸。

每种面板上均匀施加一层0.2 mm 厚度胶黏剂，加压方式采用室温+真空袋压的方式进行。图9、图10 中展示的为3 种不同面板与2 个方向蜂窝芯的胶结示意。

3.5 试验验证

使用万能力学试验机(图11)，依据《GB/T 1457—2005 夹层结构滚筒剥离强度试验方法》测试面板与夹芯材料的胶结性能，如图12 所示。试验数据统计如表3 和图13 所示。

表 3　夹层板板-芯剥离强度数据表(N/cm²)

根据表3 和图13 所示试验数据进行分析:

(1) 3-X-L 的夹层板板-芯剥离强度最高，为38.7 N/cm²，平均剥离强度达到了35.22 N/cm²，蜂窝方向为L 向且设计有嵌入特征的板芯剥离强度最高。嵌入面板胶结方法能够增强蜂窝嵌入部分与面板之间的胶结强度，但是胶结强度离散性最高，样本3-5-L 与样本3-3-L 之间差值较大，不排除是由于蜂窝本体制造过程中的制造参数的奇异性。

(2)样本3-5-L 与样本3-3-L 之间剥离强度差值较大，蜂窝方向为W 向的次之。采用沉积工艺的自有纹理面板胶结强度仅次于嵌入面板，最高剥离强度为23.9 N/cm²，为样本2-3-L，一方面是由于打印后面板直接进行胶黏剂喷涂工艺，从而避免了胶结面二次污染。另一方面是由于打印纹理方向为45 °，填充挤压路径之间存在均匀的空隙，间接增加了胶粘剂存储空间，增大了胶黏剂与面板之间的胶结面积，并且胶黏剂在面板中形成类似三角型梳齿筋，在一定程度上增加了传力路径。

(3)光滑面板机械打磨清洗工艺制备的胶结强度最低，由于胶结面机械打磨后，去除了纹理面板的自有特征，减少了胶黏剂与面板的接触面积，导致起始剥离破坏位置发生以后，引起链式破坏，夹层板结构胶结剥离强度最弱，不予采用。

3.6 破坏模式分析

图14 和图15 中展示的为最具代表性的L 向和W 向蜂窝夹层结构板破坏试验样本。

根据破坏模式示意图进行分析:

(1) 1-X-L /W 光滑面板胶结工艺破坏模式为: 黏附破坏和极小部分蜂窝本体破坏。样本量占到了100%，根据试验过程分析，产生该现象的原因是试验初始剥离段破坏从而引发的链式破坏，L 向与W 向均产生了一致的破坏模式。由此可知，蜂窝方向与试验破坏模式无关。该制备工艺抗胶结剥离强度最差，不满足胶结结构破坏模式。

(2) 2-X-L /W 纹理面板胶结工艺破坏模式为: 40%~60%的蜂窝本体破坏和黏附破坏。蜂窝本体破坏现象大部分发生在试验样本初始端，而黏附破坏基本上发生在试验中后段。但W 向蜂窝夹层板初始段蜂窝本体破坏面积比L 向小50%左右，样本量占到了70%。但L 向夹层板破坏模式为区域间破坏，界面与本体之间为斜度均匀过渡至界面破坏。而W 向夹层结构为界面与蜂窝本体之间为断崖式过渡，样本量占到了40%，其余均与L 向夹层板破坏模式一致。

(3) 3-X-L /W 嵌入面板胶结工艺破坏模式为: 蜂窝本体破坏和极少样本发生黏附破坏模式，破坏形式最为理想。10 个样本中，蜂窝本体破坏模式样本数量达到了80%，其余20%样本破坏形式类似2-X-L 样本，蜂窝本体破坏面积在87%左右。L 向蜂窝夹层板均比W 向蜂窝夹层板破坏模式更接近理想状态，L 向和W 向蜂窝夹层结构板本体破坏均发生在蜂窝高度方向的居中位置，且上下面板中均保持较为规律的破坏蜂窝本体。

4 结论

利用熔融沉积工艺技术制备出了3 种热塑性碳纤增强尼龙材料夹层板制造工艺，创新性地提出了一种蜂窝嵌入热塑性碳纤增强尼龙材料面板的胶结工艺方法。根据蜂窝边距和侧壁厚度，可自定义蜂窝嵌入面板特征。通过剥离试验，验证了蜂窝嵌入面板的胶结制备方法是较为理想的夹层板胶结制备工艺。根据试验数据分析，得出不论哪种形式的胶结面板L 向蜂窝夹层板剥离强度均高于W 向蜂窝夹层板剥离强度。有嵌合特征的面板，由于蜂窝壁与嵌入槽之间形成了稳固的备工艺为蜂窝夹层结构的一体化、轻量化制造提供了一种可行的途径。类似结构可参照该方法进行优化分析及改进。

END