预浸料软硬度定量表征测试方法研究

朱凯，王洁宇，沈超，陈曼玉，刘思达

(中航复合材料有限责任公司，北京 101300)

0 引言

先进树脂基复合材料是由有机高分子基体材料与高性能纤维增强材料经过特殊成型工艺复合而成的具有2相或2相以上结构的材料，具有性能可设计、高比强度和比刚度、疲劳性能好、耐腐蚀、可整体成型和多功能一体化等优点，在航空航天等领域的应用日益广泛，已经发展成为最重要的一类结构材料和结构功能一体化材料[1-2]。预浸料作为复合材料的中间材料，其物理性能和力学性能一般首先获得关注，相关研究报道较多；而对于预浸料工艺性能如软硬度等的研究，特别是定量表征的报道相对较少。随着预浸料产量、用量的增大，工艺性能越来越受到客户的关注，这主要是因为工艺性能关系到预浸料产品的使用，其优劣直接影响预浸料是否“好用”。

预浸料的软硬度是预浸料材料成型工艺性的度量。预浸料需要有足够的软硬度，以便能铺贴较深的曲面，以及在曲面周围能被压均匀[4]。目前国内外针对软硬度的研究较少，在CMH-17复合材料手册性[3]有相关定性的表述。定性判断受主观因素影响，无法与客户的需求进行有效对接，因此需要定量表征预浸料的软硬度。

预浸料软硬度的优劣甚至直接关系到预浸料能否用于某些复杂构型复合材料的制造。对于常规的手工铺贴来说，预浸料偏硬在铺放过程中不容易与工装贴合；偏软容易产生皱折,增大铺敷难度。因此预浸料软硬度在适宜的范围内，有助于提高预浸料的铺贴效率。Crossley R J[5]等人将预浸料的黏性和软硬度作为评价预浸料铺层性能的主要因素。对于近年来兴起的自动铺带技术而言，预浸料的软硬度在一定程度上决定着预浸料能否用于自动铺带[6-8]。

目前尚无用于定量表征预浸料软硬度的标准或测试方法，因此开展定量表征预浸料软硬度及建立相应测试方法十分必要。本文利用自行研制的设备对预浸料的软硬度进行定量表征，分析影响因素，确定预浸料软硬度试验方法的最佳测试参数，建立测试方法，并对方法进行验证。

1 试验部分

1.1 原材料

3232A/S4C10-800中温固化环氧窄带预浸料：中航复合材料有限公司研制。

1.2 试验设备

软硬度测试装置(图1)，自行研制。

装置包含可替换的芯轴、读数面板(横向标尺和纵向标尺，最小刻度为1 mm)以及防风(尘)罩。

图1 软硬度测试装置及芯轴

1.3 软硬度实验方法

测试原理为：把一定长度的试样在其中点悬挂起来，测量悬挂点下标准距离处试样两端间的距离。预浸料的软硬度体现了一定长度的预浸料在给定直径芯轴上在重力下的垂坠程度，本试验采用预浸料悬垂两端距离对软硬度进行量化表征。把一定长度的试样在其中点悬挂起来，测量在一定悬垂距离(60 mm)下悬挂试样两端间的距离(图2)。为了使预浸料能平整地铺放在设备上，加工了有一定长度的芯轴(图1)，设计了读数面板，包含了横向标尺和纵向标尺，更加易于预浸料等片状材料的读数。将试样的保护膜揭掉，对称地放在测量轴上，放置一定的时间，进行测量读数。

图2 预浸料软硬度测试示意图

1.4 软硬度试验方案

根据测试的原理，需要首先对测试环境、悬垂时间这些测试基础条件进行确定，然后对影响软硬度试验结果的芯轴直径、试样长度和放置时间等进行分析，最后确定最佳测试参数。

1.4.1 试验温度湿度的选取

预浸料中的树脂基体对温湿度敏感，并会对预浸料的软硬度产生影响。为了有效避免由温湿度变化带来的影响，需要对温湿度进行选取。分析比较预浸料生产环境、各主机厂所(净化间)使用环境以及力学性能测试实验室环境对温湿度的要求，选择各主机厂所预浸料使用环境要求(22 ℃±4 ℃，相对湿度30%～65%)，同时参考力学性能实验室标准环境要求，加严温湿度要求，暂定软硬度的测试要求为(22 ℃±2 ℃，相对湿度40%～60%)。考察温度在20～24 ℃范围是否对软硬度测试有影响。通过测试之前将预浸料放置在相对湿度40%～60%环境下24 h用以消除湿度带来的偏差。

1.4.2 悬垂时间的选取

当试样放置在芯轴上时，在重力的作用下，预浸料试样会随着时间下垂，悬垂的试样之间距离的读数也会随着改变，最终在一定时间内达到稳定。因此，需要首先确定获得稳定读数的悬垂时间。

1.4.3 软硬度测试影响因素分析及正交试验

考虑预浸料试样长度、芯轴尺寸、放置时间等三个因素会对试验有较大影响，故从上述几个因素方面研究，对软硬度测试的参数进行优化。

(a)芯轴直径。根据软硬度测试的原理，为了更好地表征预浸料的软硬度，本文采用了直径分别为10 mm、20 mm、50 mm的芯轴，有效区分预浸料在不同直径(曲率下)的芯轴下的软硬度数值，本文对上述三种直径进行试验，研究不同芯轴直径即不同曲率对预浸料软硬度的影响。

(b)试样长度。试样的宽度为预浸料的规格宽度，考虑不同质量的试样悬垂效果不同，为了试验的稳定性，分别选择了35 mm、45 mm、55 mm 三长度试样进行测试。

(c)放置时间。预浸料以缠绕的方式收卷在纸筒上，因此玻璃纤维预浸料取下后带有一定程度的弯曲，会影响测试数据的准确性和分散性。研究发现，该弯曲形态在静置一段时间可以消除，时间的长短需要确认，保证其既能消除弯曲，又不会导致测试过长。因此预浸料放置时间需作为测试参数进行研究。

2 试验结果

2.1 温度湿度的选取

本试验分别测试了20～24 ℃下预浸料的软硬度，测试结果如图3所示。随着温度的升高，树脂的黏度会变小，预浸料变软，软硬度测试平均值也随之下降，说明温度变化对预浸料软硬度的测试是有影响的。因此在可操作的情况下，进一步加严测试环境温度范围要求，选取温度范围22 ℃±1 ℃，湿度选择40%～60%。

图3 选定温度范围内软硬度测试的箱线图

2.2 悬垂时间

为了确定稳定读数，试验初步设定了0 s、30 s、1 min、2 min、3 min、4 min、5 min等7个悬垂时间，确定何时能够获得较稳定读数。分别记录每种试样在不同悬垂时间下的软硬度测试结果，具体如图4所示。

图4 预浸料软硬度与悬垂时间的关系

由图4可知最初30 s读数快速下降，此后变化趋于平缓，测试时间2 min时读数基本达到稳定，3～5 min后读数无明显变化。悬垂时间选择为3 min。

2.3 正交试验

根据对芯轴直径、试样长度和放置时间等因素的分析，本文进行了正交试验。对试样芯轴直径、试样长度和放置时间3个变量因素，每个因素有三种水平，选用L9(33)正交表(表1)，按照表进行正交试验，根据试验结果分析探讨上述因素对软硬度影响的大小。

表1 预浸料软硬度正交试验

续表

注A—芯轴直径 1—10 mm 2—20 mm 3—50 mm

B—放置时间 1—1 min 2—3 min 3—5 min

C—试样长度 1—35 mm 2—45 mm 3—55 mm

根据测试原理,为把规定长度的试样在其中点悬挂起来，测量一定悬垂距离(60 mm)下悬挂试样两端间的距离，距离越短则预浸料越软，反之则越硬。每种组合标记进行了三个批次(每批六个试样)的试验，测试结果见表2。

表2 预浸料软硬度正交试验结果分析

由表2可以看出，正交试验结果的极差大小依次是：芯轴直径>试样长度>放置时间，因此对试验结果影响较大的是测试时使用的芯轴直径和试样长度，而放置时间影响相对较小。从表2可以明显看出组合2测试结果离散系数最小，测试状态稳定，说明测试最好的水平为A1B2C3。即芯轴直径为10 mm，试样长度为55 mm，放置时间为3 min。

3 试验方法验证

本试验分别进行了相同规格不同批次预浸料、不同规格预浸料、以及不同外置时间下的软硬度试验验证。采用3232A/S4C10-800预浸料进行验证，3232A/S4C10-800/76/75.5/25中76代表纤维根数，75.5为预浸料宽度，25代表树脂含量，3232A/S4C10-800/76/75.5/25可简化表达为76/75.5/25。

3.1 预浸料测试验证结果

同规格不同批次预浸料软硬度验证结果如图5所示，测试结果显示：不同批次间数据度差异较小，软硬度数值较为一致，表明该测试方法测试状态稳定。

不同规格预浸料软硬度验证结果如图6所示。不同规格的预浸料树脂含量、宽度以及使用的纤维根数均不同，因此软硬度测试结果有差异。另外，选择了相同树脂含量、不同纤维根数及宽度的预浸料进行软硬度测试。

图5 同规格预浸料软硬度测试结果

图6 不同规格预浸料软硬度测试结果

测试结果表明：预浸料软硬度测试结果为14/21/25<76/75.5/25<36/26/25。这主要是由于在相同树脂含量下，软硬度跟单位宽度下纤维根数有关，根数越多软硬度数值越大，预浸料越硬。单位宽度下纤维根数计算方法见表3。由表3可知，单位宽度下的根数为14/21/25<76/75.5/25<36/26/25，预浸料软硬度测试结果也为14/21/25<76/75.5/25<36/26/25，三者趋势相同。因此该软硬度测试方法能够有效区分不同规格下预浸料的软硬度。

表3 3232A/S4C10-800预浸料软硬度试验测试结果

注 单位宽度下纤维根数计算方法：纤维根数/预浸料宽度。

3.2 外置时间对预浸料软硬度影响

预浸料在室温下有一定的贮存期，本试验考察了3232A/S4C10-800/36/42/25预浸料在不同外置时间下预浸料软硬度的测试情况。3232A/S4C10-800/36/42/25预浸料在分别放置0天、10天、20天和30天后进行了软硬度的测试，每种外置时间下进行了5个批次的试验，具体如图7所示。

图7 3232A/S4C10-800/36/42/25软硬度测试箱线图(在不同外置时间下)

测试结果表明：随着预浸料外置时间的增加，软硬度数值逐渐变大，预浸料逐渐变硬。这主要是由于预浸料在放置的过程中树脂基体发生反应，预浸料软硬度值升高。软硬度测试方法能够定量表征出不同外置时间下软硬度的变化趋势(图7)，说明该测试方法是合理可行的。

4 结论与总结

(1)本文自行研制了软硬度的测试设备, 初步建立了预浸料软硬度量化表征测试方法。

(2)在选定测试温度和悬垂时间的基础上，通过正交试验确定了软硬度定量表征测试的关键参数：芯轴直径为10 mm，试样长度为55 mm，放置时间为3 min。

(3)软硬度试验方法验证表明：同规格不同批次间数据差异较小；不同规格数据差异较大；随外置时间延长预浸料软硬度增大。上述结论与通常认知相同，说明该方法可用于预浸料软硬度测试。