可剥布剥离工艺性评价方法研究

邓立伟 ，陈璐圆 ，陈新文 ，顾灵聪

（1.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；3.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095；4.上海飞机制造有限公司，上海 200000）

0 引言

纤维增强树脂基复合材料由于具有高的比强度、抗疲劳性能好及良好的可设计性等优点，得到了广泛应用[1-2]。复合材料零件成型时需要使用大量的工艺材料，这些材料在提供零件成型的工艺条件、保证最终零件的成型质量和降低生产成本等方面起着非常重要的作用[3]。因此，国外主要的民用飞机制造商都严格控制所使用的工艺材料。遗憾的是，国内民机产业还没有形成复合材料用工艺材料的选用标准。建立复合材料用工艺材料的评价方法，不仅能够降低民机复合材料产品的生产成本，还能拉动工艺材料向国产化迈进，具有良好的社会效益和经济效益。

在航空复合材料结构胶接工艺中，可剥布被广泛用于代替传统的打磨工艺进行复合材料待胶接表面处理[4]。一方面，在运输和储存过程中可剥布能保护复合材料表面，防止表面污染和损伤。保证良好的胶接质量[5]；另一方面，在复合材料零件胶接前撕掉表面的可剥布形成粗糙的表面，有利于复合材料零件的胶接，减少打磨和清洗工作，降低劳动量，缩短生产周期[6]。国外主要的可剥布供应商有Airtech、Cytec、Hekel 及Hexcel，国内尚无成熟的产品获得民用航空领域的广泛应用。在性能评价方面，国际上很多航空企业都对胶接用可剥布提出了性能要求，包括可剥布的物理、化学特性，以及制成的胶接试验件的性能。目前，国外将断裂强度作为评价可剥布剥离工艺性的重要指标，并作为可剥布选材的依据。然而，断裂强度的高低和剥离工艺性的好坏没有必然关系，和断裂强度相比，采用剥离强度评价剥离工艺性更直观、更准确。

本研究从可剥布剥离工艺性评价角度出发，利用浮辊法[7]评估将可剥布从层压板表面剥离时的难易程度。分析剥离强度均值和剥离强度峰值的均值、剥离强度谷值的均值、平均剥离振幅之间的关系，提出可剥布剥离工艺性评价方法。

1 试验部分

1.1 试样

选用6种国外产可剥布、单向及织物碳纤维预浸料、单向及织物玻璃纤维织物预浸料，利用真空袋成型[8]工艺制备浮辊剥离试样47 批，每批5 件试样，试样尺寸为230 mm×25 mm，名义厚度为2.5 mm。

1.2 试验方案

目前，国外主要的胶粘剂剥离试验标准如表1所示。其中，ASTM D903[9]为胶粘剂180°剥离阻抗试验方法，该方法要求挠性材料弯曲180°时无严重的不可恢复的变形，且测试时往往会引入挠性材料间的摩擦力。ASTM D6862[10]为胶粘剂90°剥离阻抗试验方法，该方法的缺点是制样成本比较高。ASTM D3167[11]为胶粘剂浮辊剥离阻抗试验方法，该方法能较好地再现可剥布的剥离过程，能获得比其他剥离方法更稳定的数据，且制样容易。因此，参照ASTM D 3167 开展剥离试验，试验采用MTS CMT6104 试验机，如图1 所示。

表1 国外剥离试验方法Table 1 Foreign peeling testing methods

图1 可剥布浮辊剥离试验Fig.1 Floating-roller peeling test of strippable cloth

2 结果与分析

2.1 表面特征

可剥布剥离后，层压板表面十分平整[12]，且留下可剥布的纹理。通过试验，发现不同批次试样表面的可剥布剥离难易程度差别很大。图2 中第1 件试样的可剥布正常剥离，后3 件试样的可剥布在测试过程中因剥离载荷过大而断裂。在实际生产时，过高的剥离强度将会显著降低工作效率。

图2 浮辊剥离试样Fig.2 Specimens after floating-roller peeling

2.2 典型载荷−位移曲线

典型的可剥布浮辊剥离试验载荷−位移曲线如图3 所示。试验开始阶段，载荷随着位移增加而增大，达到临界值后，载荷随位移的增加上下波动，并趋于稳定。

图3 浮辊剥离典型载荷−位移曲线Fig.3 Relationship between load and displacement

2.3 剥离强度的统计结果

不同批次试样的剥离强度均值差异很大，最小强度为0.124 kN/m，最大强度为1.670 kN/m，剥离强度均值大小与可剥布基材、可剥布浸润树脂、复合材料增强纤维和复合材料树脂基体有关。试样批内剥离强度的离散系数最小为0.4%，最大为15.6%，有45 批试样剥离强度的离散系数小于5.0%，表明试验批次内该数据比较稳定。

2.4 可剥布剥离工艺性评价方法

在复合材料制备过程中，为了使用可剥布替代人工打磨，首先要评价可剥布的工艺性。为更加直观地对数据进行讨论，作如下定义：平均剥离振幅=剥离强度峰值的均值-剥离强度谷值的均值。利用一元线性回归方程[13]拟合剥离强度均值和剥离强度峰值的均值、剥离强度谷值的均值、平均剥离振幅数据，得到3 条直线，如图4所示。

图4 剥离强度均值与剥离强度峰值的均值、剥离强度谷值的均值、平均剥离振幅之间线性相关Fig.4 Linear correlation between average peeling strength,mean value ofpeak peeling strength,mean value of valley peeling strength and mean value of peeling amplitude

剥离强度越低，则越容易将可剥布从层压板上剥离；剥离振幅越小，则剥离过程受力越稳定。因此，剥离强度越低、剥离振幅越小，工艺性越好。和国外采用断裂强度相比，采用剥离强度评价可剥布剥离工艺性更直观、更准确。但从图4可知，剥离强度均值和剥离强度峰值的均值、剥离强度谷值的均值之间的线性相关性较好，其相关系数R2分别为0.991、0.994，因此，可以任选剥离强度均值、剥离强度峰值的均值和剥离强度谷值的均值之一作为主要指标评价剥离工艺性。对不同可剥布进行剥离工艺性对比时，应采用相同的评价指标。考虑到剥离强度均值和平均剥离振幅之间的线性相关系数R2仅为0.782，故将平均剥离振幅作为评价剥离工艺性的次要指标，在主要指标相近及胶接性能满足要求的情况下，优先选择平均剥离振幅小的可剥布。此外，结合生产经验和“等分”原则，根据剥离强度和剥离振幅不同，将可剥布剥离工艺性分为5个等级，级别越高，工艺性越好，如表2 所示。由于可剥布的剥离工艺性好坏直接影响制件的生产效率，根据生产经验，建议选择剥离工艺性等级为Ⅲ级及以上可剥布作为工艺辅料，不建议选择Ⅰ级可剥布作为工艺辅料。

表2 可剥布剥离工艺性评价表Table 2 Evaluation table for mechanical properties of strippable cloth km·m−1

3 结论

1）剥离强度均值和剥离强度峰值的均值、剥离强度谷值的均值、平均剥离振幅之间呈线性相关，相关系数R2分别为0.991、0.994、0.782。

2）可以任选剥离强度均值、剥离强度峰值的均值和剥离强度谷值的均值之一，作为主要指标评价剥离工艺性，用平均剥离振幅作为次要指标来评价可剥布剥离工艺性。

3）根据剥离强度和剥离振幅不同，将可剥布剥离工艺性划分为5个等级，为可剥布选材提供依据。