摘要
对固化温度、保温平台及隔离材料对真空成型碳纤维/环氧树脂基复合材料（CCF300/BA9913）的孔隙率和力学性能的影响进行了研究。结果表明，在较高的固化温度（125 ℃保温2 h）条件下，CCF300/BA9913固化后力学性能和耐湿热性能更加优异。同时在树脂最低黏度所处温度附近（85 ℃），增加0.5 h的保温平台，有利于降低CCF300/BA9913固化后的孔隙率，提高材料力学性能。封装时，采用有孔聚四氟乙烯膜和半透膜，可提高固化过程中的导气效率，有利于材料力学性能的提高。其0°拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度分别达到1 896、1 387、1 668、89.0 MPa
树脂复合材料由于具有轻质高强的特点，以及可设计性强、耐腐蚀、耐疲劳性能优良等，其应用范围越来越广泛。在航空航天领域，先进树脂基复合材料的应用范围已经由次承力结构如整流罩、舵面结构等逐渐应用到飞机的机翼、机身壁板，火箭的整体筒段、燃料储箱等大型的主承力结
当然，采用真空成型的复合材料相比热压罐成型的复合材料由于成型压力低，所以孔隙率相对较高，力学性能相对较低。航空航天复合材料结构件孔隙率一般控制在2%以下，一般采用真空成型的复合材料孔隙率大于2%，甚至高于5
复合材料真空成型过程中，降低内部孔隙率主要通过在树脂凝胶之前排除在铺叠过程中包裹的微量气体、预浸料的挥发分和成型过程中释放的其他微量气体，以及提高树脂对纤维的浸渍性。本文采用不同成型工艺参数（温度、保温时间、保温平台）和封装方式对中温碳纤维/环氧树脂基复合材料（CCF300/BA9913）的孔隙率及力学性能的影响进行研究，拟为该型号材料在无人机、飞艇、浮空器、商业化中小型火箭和微纳卫星上的应用提供支撑。
采用国产300级碳纤维/环氧树脂单向带预浸料（CCF300/BA9913），该预浸料采用单面覆膜，树脂为中航复合材料有限责任公司生产的增韧环氧树脂BA9913，该预浸料体系为中温固化，预浸料相关信息见
为研究不同工艺参数对CCF300/BA9913预浸料体系固化后力学性能的影响，分别设定以下固化工艺制度，如
实验件成型固化时，实验件表面辅助材料的放置顺序为可剥布、隔离膜、聚四氟乙烯玻璃布，然后再放置均压板、透气毡和真空袋，封装示意图见
图1 实验件封装示意图
Fig.1 The diagram of package for test piece
为了研究封装过程中隔离膜对材料固化后性能的影响，从4种固化工艺制度中，选择性能最好的一种固化工艺制度，在固化过程使用无孔聚四氟乙烯膜、有孔聚四氟乙烯膜和半透膜三种不同隔离膜。其余三种工艺制度均采用无孔聚四氟乙烯膜作为隔离膜。
实验件测试标准如
测试环境分别为室温干态RTD（24 ℃，实验件干态）和高温湿态ETW（70 ℃，实验件测试前浸泡在70 ℃的水中，并将装水的容器置于70 ℃，相对湿度85%的恒温湿热箱中7 d）
为了研究不同固化温度条件下CF300/BA9913复合材料固化后的性能，分别选择固化工艺制度1（110 ℃保温3 h）和2（125 ℃保温2 h）对CCF300/BA9913复合材料进行固化。两种固化条件下实验件的力学性能如
两种固化制度固化的CCF300/BA9913复合材料的孔隙率、纤维体积分数和Tg（DMA、损耗峰峰值）测试结果见
从
从
图2 采用固化制度1和固化制度2的试样微观照片
Fig.2 The metallographic photograph of sample cured by process 1 and process 2
注： 图中白色部分为碳纤维，灰色部分为树脂，黑色部分为孔隙。
试样经过高温湿热处理以后，两种固化制度下固化的样品的Tg均有明显的下降，分别下降21和16 ℃。这是因为湿热条件下，水分子进入树脂交联网络和纤维和树脂的界面相
通常采用真空成型固化的复合材料，在固化升温的过程中选择适合的温度进行一定时间的保温处理，有利于复合材料内部树脂对纤维的浸渍和内部微量气体、挥发分的排除。依据CCF300/BA9913预浸料的黏温特性，树脂在80~90 ℃处于低黏度平台，所以选择保温温度为85 ℃，保温时间为0.5 h，形成固化工艺制度3和4。这两种固化条件下CCF300/BA9913实验件的力学性能如
从
固化制度3和4固化的试样孔隙率分别为1.5%和1.4%，较固化制度1和2固化的CCF300/BA9913复合材料孔隙率降低25%和26%（显微图片见
图3 采用固化制度3和4的试样显微照片
Fig.3 The metallographic photograph of sample cured by process 3 and process 4
注： 图中白色部分为碳纤维，灰色部分为树脂，黑色部分为孔隙。
同时，增加保温平台后，CCF300/BA9913复合材料试样在经过高温湿态处理后，材料力学性能比没有保温平台的试样的高温湿态力学性能要高。其原因是因为保温平台增加了树脂对纤维的浸润，使得纤维与树脂之间的界面相更加稳定，同时孔隙的降低，使得渗入材料内部的水分减小，降低了湿热条件下水分子对界面相的破坏程
综上，在树脂固化前的低黏度平台增加适当的保温平台，有助于预浸料内部气孔、挥发分的排除，以及有助于树脂与纤维之间的浸润，所以适当的保温平台能有效提高CCF300/BA9913复合材料的力学性能和耐湿热性能。这对CCF300/BA9913结构件的真空成型具有借鉴意义，尤其是厚度较大的构件成型，更应该增加适当的保温平台，在排除内部气孔/挥发分，促进树脂对纤维的浸润的同时还能有效降低最终固化的反应热，防止大厚度区局部的过热现象。
复合材料真空成型过程中增加固化过程中的导气是提高材料成型质量的有效手段。为了研究不同隔离膜对CCF300/BA9913复合材料真空成型后的性能影响，选择固化制度4，分别在封装过程中采用无孔聚四氟乙烯隔离膜、有孔聚四氟乙烯膜、半透膜膜作为隔离材料，对固化后的试样的部分力学性能、孔隙率和纤维体积分数进行测试，结果分别见
注： 1）隔离膜1、2、3分别代表无孔聚四氟乙烯隔离膜、有孔聚四氟乙烯膜、半透膜膜；测试条件为室温干态。
注： 1）隔离膜1、2、3分别代表无孔聚四氟乙烯隔离膜、有孔聚四氟乙烯膜、半透膜膜。
实验结果表明，采用有孔聚四氟乙烯膜、半透膜膜，能进一步降低CCF300/BA9913复合材料固化后的孔隙率，同时对力学性能有所提高，其0°压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度最高分别达到1 387、1 686、89.2MPa。同时由于采用有孔聚四氟乙烯膜，在排气同时少部分树脂通过膜上小孔流出被脱模布（聚四氟乙烯玻璃布）吸收，导致固化后的树脂含量减少，纤维体积分数小幅度提高。
在真空成型过程中，应用有孔的隔离膜或者半透膜，能增加预浸料表层与脱模布之间的层间导气以及在脱模材料的层内导气，有利于气体/挥发分的排除，促进树脂在层间的流动，使得树脂对碳纤维浸渍更充分，从而降低了材料内部孔隙率，提高了材料力学性能。需要说明的是，由于BA9913为增韧树脂，其最低黏度相对较大，即使使用有孔隔离膜，流出的树脂有限，对材料固化树脂含量的影响有限。所以，在工程应用中，考虑到半透膜的成本较低和可展性相对较差，可以考虑优先使用有孔聚四氟乙烯膜作为隔离膜，当然，若对成型后零件的树脂含量、零件厚度控制有特殊严格要求的情况下，则应用半透膜作为隔离材料。
对不同孔隙率的CCF300/BA9913的层间剪切强度、0°弯曲强度和压缩强度进行对比（
纤维增强树脂基复合材料受载时，纤维作为主要的承载相承受由基体传递的有效载荷，是主承力相。而树脂基体主要作用是通过界面以剪切变形的方式将载荷传递并分散到增强纤维上，并对纤维形成保护。当树脂对纤维充分浸渍并在纤维表面浸润，并且树脂内部均匀无缺陷时、纤维在层间分布均匀时，树脂可以充分传递复合材料之间纤维之间的应力，使得纤维的增强效应得到最大发挥。而当树脂对纤维浸渍不完全，在界面形成空洞时，载荷不能充分传递到纤维上，会造成局部的应力集中。而在树脂相中的孔隙，使得树脂承受剪切应变的能力降低，降低了树脂传递并分散载荷的能力。当复合材料体系受到较大载荷时，材料内部树脂相和界面处的孔隙都成为树脂基体内部的微裂纹的萌生点，随着载荷的增大，孔隙处形成的裂纹扩展成裂纹，裂纹进一步生长扩展，直至材料破坏失效。所以，随着CCF300/BA9913复合材料孔隙率的增加，材料的承载能力降低，其层间剪切强度、0°弯曲强度和0°压缩强度都下降。
采用单面覆胶的CCF300/BA9913预浸料进行真空成型，制得孔隙率较低、力学性能较高的CCF300/BA9913复合材料。研究了不同固化工艺参数、封装方法与封装工艺材料对CCF300/BA9913复合材料的孔隙率及力学性能的影响，结论如下：
（1）CCF300/BA9913复合材料真空成型，采用125 ℃的固化温度，在85 ℃保温0.5 h，成型的复合材料孔隙率较低、力学性能和耐湿热性能相对较好；
（2）在CCF300/BA9913复合材料真空成型过程中适当增加保温平台可以增加树脂对纤维的浸润性，促进树脂内气体/挥发分的排除，降低材料的孔隙率。在封装过程中用有孔聚四氟乙烯膜和半透膜均可提高固化过程中的导气，可进一步降低孔隙率；
（3）真空成型的CCF300/BA9913复合材料的力学性能随着材料内部孔隙率的降低而提高，材料内部的孔隙导致树脂传递并分散载荷的能力降低，并在受载过程中成为微裂纹的萌生点，降低了复合材料的承载能力。
参考文献
杜善义.先进复合材料与航空航天［J］.复合材料学报，2007，24（1）：1-12. [百度学术]
DU S Y.Advanced composite materials and aerospace engineering［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2007，24（1）：1-12. [百度学术]
赵云峰，孙宏杰，李仲平.航天先进树脂基复合材料制造技术及其应用［J］.宇航材料工艺，2016，46（4）： 1-7. [百度学术]
ZHAO Y F，SUN H J，LI Z P.Manufacturing technology and its application of aerospace advanced polymer matrix composites［J］.Aerospace Materials & Technology，2016，46（4）：1-7. [百度学术]
王恒生，程艳婷.复合材料在航天领域中的研究与应用进展［J］.化工科技，2013，21（2）：67-70. [百度学术]
WANG H S，CHENG Y T.Advance on research and application of the composite materials in the aerospace engineering［J］.Science & Technology in Chemical Industry， 2013， 21（2）：67-70. [百度学术]
吴志恩.飞机复合材料构件成本问题的技术分析及改进措施［J］.航空制造技术， 2019（15）：50-52. [百度学术]
WU Z E. Technical analysis and improvement for cost of aircraft composite structure［J］.Aviation Manufacturing Technology， 2019（15）：50-52. [百度学术]
杨茂伟，刘建，刘振濮，等. 非热压罐成型低孔隙率复合材料技术研究进展［J］. 宇航材料工艺，2016，45（6）：21-25. [百度学术]
YANG M W， LIU J， LIU Z P， et al. Research progress of out of autoclave technology for low porosity composite［J］. Aerospace Materials & Technology， 2016，46（6）：21-25. [百度学术]
唐见茂.航空航天复合材料非热压罐成型研究进展［J］. 航天器环境工程，2014，31（6）：577-583. [百度学术]
TANG J M. Progress in the out of autoclave process in aerospace composites［J］. Spacecraft Environment Engineering， 2014， 31（6）： 577-583. [百度学术]
陈帅金，徐辰，吴国庆，等. 非热压罐预浸料制备及成型工艺研究［J］. 玻璃钢/复合材料，2017（3）：90-95 [百度学术]
CHEN S J，XU C，WU G Q，et al.Study on the preparation and cuing process of OOA prepregs［J］.FRP/Composite，2017（3）：90-95. [百度学术]
袁超，程文理，陈静. 复合材料非热压罐成型孔隙率研究［J］. 玻璃钢/复合材料，2019（12）：89-92. [百度学术]
YUAN C，CHENG W L，CHEN J.Research of out of autoclave composite porosity［J］.FRP/Composite，2019（12）：89-92. [百度学术]
周长庚，荀国立，王文贵，白金鹏. 修理用低温固化复合材料（CF3031/LTC80）的工艺及性能研究［J］.纤维复合材料，2020（2）：3-8. [百度学术]
ZHOU C G，XUN G L，WANG W G，et al.Process and performance of low temperature curing composite （CF3031/LTC80） for repair［J］.Fiber Composites，2020（2）：3-8. [百度学术]
SCOTT L，STEVE H， JIM S.Vacuum bag only processing； improving prepreg out-time and porosity for large composite structure［C］//Society for the Advancement of Material and Process Engineering （SAMPL）.Seattle， WA： 2010. [百度学术]
GRUNENFELDER L， NUTT S R. Void formation in composite prepers-effect of dissolved moisture［J］. Composites Science and Technology， 2010， 70 （16）：2304 2309. [百度学术]
GRUNENFELDER L，CENTEA T，HUBERT P，et al.Effect of room-temperature out time on tow impregnation in an out-of-autoclave prepreg［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2013，45（1）：119-126. [百度学术]
马玉钦， 任晓雨， 师阳，等. 碳纤维复合材料真空浸渍与热压固化成型方法：CN109049761B［P］. 2020-10-27 [百度学术]
MA Y Q， REN X Y， SHI Y， et al. Vacuum impregnation and hot-pressing of carbon fiber composites： CN109049761B［P］. 2020-10-27. [百度学术]
MA Y Q， WANG J， ZHAO Y， et al. A new Vacuum pressure infiltration CFRP method and preparation experimental study of composite［J］. Polymers， 2020， 12（2）：419. [百度学术]
MA Y Q，WANG J，MA J，et al.Calculation and experimental study on critical infiltration pressure of resin in 3D carbon fiber preform［J］. Physica Status Solidi A： Applications and Materials Science，2020， https：//doi.org/10.1002/pssa.202000130. [百度学术]
于洪明，游慧鹏，陈江平，等．纤维增强树脂基复合材料空隙的研究［J］. 材料科学，2017，7（1）：25-31. [百度学术]
YU H M， YOU H P， CHEN J P， et al. Research on voids of fiber reinforced polymer composite［J］. Material Sciences， 2017， 7（1）：25-31. [百度学术]
王迎芬，彭公秋，李国丽，等． T800H碳纤维表面特性及T800H／BA9918复合材料湿热性能研究［J］．材料科学与工艺， 2015， 23（4）：115-120. [百度学术]
WANG Y F， PENG G Q， LI G L， et al. Study on surface characteristic of T800H carbon fiber and hygrothermal performance of T800H/BA9918 composite［J］. Materials Science and Technology， 2015， 23（4）：115-120. [百度学术]
