《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Investigation on suppressing curing deformation and optimizing performance of fiber composites with gravity-driven strategies
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利用倒置成型工艺通过重力调控树脂流动抑制热固性复合材料的工艺诱导变形，显著降低厚度不均匀性和变形量，提升机械性能稳定性，为航空航天复合材料的精密制造提供新方法。
丁宇航|景西双|谢福宝|安景彦|沈博岩|陈思宇|张成阳
北京航空航天大学航空发动机研究所，中国北京100191
摘要
热固性复合材料在固化过程中由于复杂机制的作用而产生的工艺诱导变形（PID）会降低组件的承载能力和使用寿命。本研究借鉴植物根系生长的向重力性原理，提出了一种基于重力的策略，以抑制PID并提升用于航空航天应用的薄壁S玻璃纤维增强聚合物（GFRP）层压板的性能。采用倒置成型（UM）工艺，利用重力引导树脂流动，与传统成型（CM）相比，厚度偏差减少了47.37%，固化变形减少了24.28%。三点弯曲测试表明，UM工艺提高了弯曲强度的稳定性，能量吸收密度增加了16.10%。这些改进归因于层间树脂分布的优化，显示出其在航空航天结构应用中的潜力。
引言
纤维增强复合材料因其轻质、高强度、高模量和优异的吸能性能，在航空航天、汽车等领域得到了广泛应用[[1], [2], [3]]。然而，热固性复合材料在固化过程中的工艺诱导变形（PID）带来了显著挑战，导致尺寸不精确、结构变形和界面裂纹，从而影响装配精度、结构寿命和可靠性[[4], [5], [6]]。对于薄壁组件而言，这一问题尤为严重，因为它们的刚性较低，使得PID成为翼载荷结构及火箭外壳等航空航天应用中的关键瓶颈[[7]]。PID的复杂机制源于纤维与树脂之间的热膨胀系数（CTE）不匹配、树脂的化学收缩以及模具与零件之间的相互作用[[8]]。通常，树脂的CTE远高于纤维，导致固化过程中膨胀受到限制。随后的冷却和交联使树脂体积收缩，而纤维保持化学稳定。因此，由于CTE和收缩行为的不匹配，树脂富集区域会因局部应力集中而发生更严重的变形[[9]]。
过去几十年中，人们针对影响PID的各种因素进行了大量研究，包括零件厚度[[10], [11], [12]]、长度[[13,14]]、铺设角度和顺序[[15], [16], [17]]、模具材料[[18]]以及固化参数[[19,20]]。这些参数的变化会导致残余应力的差异，从而影响PID[[21,22]]。纤维压实和树脂固化会影响纤维体积分数、机械性能和层压板厚度，进而影响成型质量[[23]]。目前的PID缓解策略包括：(i) 优化固化参数（如温度、压力、循环次数、冷却速率）以减少残余应力[[24,25]]；刘等人通过非均匀温度场实现了精确控制[[26]]；Kravchenko等人通过优化固化循环的加热曲线，利用热膨胀来抵消化学收缩的影响，有效控制了碳纤维/环氧树脂层压板的残余变形[[27]]；(ii) 通过迭代调整模具几何形状以满足公差要求[[28]]；卢等人通过设计模具的热膨胀系数使其与组件匹配，并基于无应力温度理论优化固化循环，将C形和V形试样的变形降低了8.3%[[29]]；(iii) 修改铺设顺序、纤维方向和厚度[[14]]；贾等人开发了固化过程模拟模型，并将其与非线性铺设顺序控制算法结合，有效抑制了厚多层不对称层压板的固化变形，显著降低了平均变形[[16]]；(iv) 对层施加预应力，显著减少变形[[30]]。有限元方法也被用于预测变形场，减少工艺迭代次数[[31], [32], [33]]。Ryuzono等人结合实验测量和包含粘弹性本构律的有限元分析，比较和预测了热固性CF/环氧树脂和热塑性CF/PAEK层压板在固化过程中的变形机制[[35]]。其中，几何补偿方法被认为具有前景[[9,36]]，但它需要额外的时间、模具成本，并且严重依赖于准确的材料参数，限制了其可扩展性[[37]]。尽管取得了这些进展，但一种简单且经济有效的PID抑制策略（特别是在树脂固化过程中利用重力）仍然尚未得到充分探索。
本研究提出了一种新的基于重力的方法，利用倒置成型（UM）工艺利用重力作用来调节树脂流动。该策略无需修改模具即可平衡树脂的流动和保留，显著提高了厚度均匀性和表面质量，同时减少了翘曲并改善了机械性能。这种方法不仅为航空航天复合材料的精密制造提供了新的见解，还为基于重力效应优化复杂形状复合材料成型过程开辟了新的视角。
材料
本研究使用缎面编织的S玻璃纤维（G6440D2，220克/平方米）制备了含40%纤维量的复合层压板。预浸料来自中国成都的卢晨新材料科技有限公司，在使用前储存在-18°C下，并在25°C下解冻24小时。S玻璃纤维的形态如图2(c)所示。
制造工艺
S玻璃纤维增强聚合物（GFRP）层压板的制造工艺借鉴了植物根系生长的向重力性原理，即利用重力使根系向下生长
厚度分布
层压板的厚度是影响变形和性能的主要因素之一，尤其是在航空航天应用中[[39]]。厚度不均匀会导致应力集中、加剧翘曲并损害机械性能。实现高厚度均匀性是一个重大挑战，因此厚度控制成为精密制造的关键[[40]]。图3(a–c)展示了传统成型工艺下S玻璃纤维复合层压板的厚度分布
结论
本研究提出并验证了一种倒置成型（UM）技术，通过利用压力驱动的树脂流动来平衡重力，从而重塑树脂迁移并提高层压板质量——无需修改模具。在相同的固化条件下，UM工艺显著提高了厚度和表面均匀性：在2°C/分钟的固化速率下，厚度范围和偏差分别减少了47.37%和20.03%，树脂渗出从稀疏的大块转变为均匀的小块。
作者贡献声明
丁宇航：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。景西双：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理。谢福宝：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、概念构思。安景彦：方法论设计、实验研究。沈博岩：方法论设计、实验研究。陈思宇：撰写 – 审稿与编辑、监督
声明
作者声明没有财务或非财务利益冲突。
资金声明
本研究部分得到了“国家自然科学基金”（项目编号：52505539）和“中央高校基本科研业务费”（项目编号：501XYGG2025107017）的支持
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
