碳纤维增强树脂基复合材料由于具有高比强度、高比刚度、优良的耐腐蚀、较好的抗疲劳、较强的可设计性，可大面积整体成型等特性在航空航天领域得到广泛应用[1-3]。碳纤维复合材料的用量已经成为衡量飞行器先进器的重要标志[4]。随着碳纤维增强树脂基复合材料成型技术的不断发展，其应用范围不断扩展。碳纤维增强树脂基复合材料结构质量在飞行器中所占比例迅速增加，如F-35战机复合材料结构用量已经达到31%[5]；随着碳纤维增强树脂基复合材料增韧技术不断发展，复合材料性能不断提高[6]，其应用范围逐渐由最初的非承力或次承力结构向主承力结构扩展，如F-22机表可视部位的机身和机翼均大量使用增强的复合材料结构[7-8]。碳纤维增强树脂基复合材料结构的制造主要采用预浸料为原材料，通过真空袋-热压罐成型工艺进行制造，以满足先进战机及民机客机对飞机性能的需求。从国外的应用情况分析，现阶段老的机型（如F-16、F-18、B737、B747、B757、B767、A320、A330、A340等）基本以高强型碳纤维预浸料为主，而20世纪90年代以后发展的机型（如F-22、F-35、B-2、B777、B787、A380、A400M、A350等）主要应用高强中模及高模碳纤维预浸料，在一些次承力结构中也使用高强型碳纤维预浸料。国内航空装备中应用的复合材料碳纤维预浸料仍以高强系列碳纤维预浸料为主。在高强型预浸料领域，具有代表性的预浸料为T700级碳纤维增强改性双马树脂预浸料，主要应用于机翼、尾翼、机身蒙皮等主/次承力构件。在机翼、尾翼等主/次承力构件的制造中，按构件中工艺组件间的结合方法，可分为共固化、共胶接和2次胶接。共固化、共胶接和2次胶接的不同之处在于进热压罐固化的次数不同[9]。其中2次胶接、共胶接工艺成型的复合材料产品中的子件需要进行2次及以上热压罐固化，多次固化导致复合材料产品经历多次高温、高压环境，此过程对复合材料产品力学性能的影响尚不明确。崔超等[10]介绍固化工艺参数对聚酰亚胺复合材料性能影响，主要从加压温度、加压压力和固化温度对复合材料力学性能的影响规律进行论述。李伟等[11]研究不同固化压力对AC531/CCF800H复合材料常温力学性能的影响。张骁亚[12]研究固化保温温度和固化升温速率对固化后复合材料力学性能的影响。张晓军等[13]从后固化温度、固化温度、凝胶温度的保温时间对纤维缠绕碳纤维增强复合材料力学性能的影响进行研究。以往研究多偏重于固化工艺参数（如加压温度、加压压力、固化温度、保温时间等）对复合材料力学性能的影响，而关于多次固化对复合材料力学性能的影响及机理研究较少。本实验以改性双马树脂T700级预浸料为研究对象，测试分析多次固化对复合材料单向层板力学性能的影响规律，研究固化次数对力学性能的影响机理，为复合材料的质量控制提供一定的指导。1实验部分1.1主要原料碳纤维增强改性双马树脂T700级预浸料，单层厚度0.125 mm，中航复合材料有限责任公司。1.2仪器与设备热压罐，RYG-11，西安龙德科技发展有限公司；万能力学试验机，Instron 3382，美国英斯特朗公司；光学金相显微镜，BX51M，日本奥林巴斯公司；差示扫描量热仪(DSC)，DSC 1，瑞士梅特勒-托利多公司；动态热机械分析仪(DMA)，DMA Q800，美国TA仪器公司。1.3样品制备采用手工铺覆成型预浸料叠层，热压罐热压成型工艺制备厚度分别为2 mm和3 mm的复合材料单向层板。1次固化采用确定的固化工艺成型单向层板，2次固化是将1次固化单向层板再固化1次，3次、4次固化以此类推。1.4性能测试与表征固化反应温度测试：称取5~10 mg树脂试样，测试温度25~350 ℃，N2气氛下，气体流量40 mL/min；升温速率分别为5、10、15、20 ℃/min。DMA测试：试样尺寸35 mm×12 mm×2 mm，测试温度25~300 ℃，升温速率3 ℃/min，频率1 Hz，N2气氛下进行测试。弯曲性能测试：按ASTM D7264/D7264M—2015进行测试，试样尺寸125 mm×13 mm×3 mm，测试跨距96 mm，测试速度1 mm/min，模量为应变测试段的0.1%~0.3%，采用三点弯的测试方法。层间剪切性能测试：按ASTM D2344/D2344M—2016进行测试，试样尺寸18 mm×6 mm×3 mm，测试跨距12 mm，测试速度1 mm/min。2结果与讨论2.1固化工艺分析由于复合材料的固化过程，一般在某温度下恒温固化，为接近固化工艺的实际情况，需要得到升温速率为0时的特征温度，将不同升温速率下的各特征温度进行线性拟合，将线性拟合的直线延长并与纵坐标相交，即升温速率为0时的特征温度[14]。采用不同升温速率对改性双马树脂进行DSC测试，得到各升温速率下该树脂的特征温度，按照线性拟合特征温度法和前期研究，得到改性双马树脂的烯反应温度为(124±1) ℃、凝胶温度为(185±2) ℃、固化温度为(198±18) ℃、后处理温度为(252±12) ℃[15]。改性双马树脂的固化工艺可分为3个恒温平台，分别为125 ℃左右的烯反应过程、185 ℃左右的树脂凝胶反应过程、200 ℃左右的树脂固化反应过程。为进一步提高树脂的固化度，可在250 ℃左右设置1个恒温平台进行后处理反应。图1为改性双马树脂体系固化的基本工艺过程。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.014.F001图1改性双马树脂体系固化工艺过程Fig.1Curing process of the modified bismaleimide resin system2.2多次固化对单向层板力学性能的影响分析由于单向层板的拉伸性能及压缩性能更多受纤维力学性能的影响，对后续多次固化敏感性低，因此不考虑多次固化对单向层板拉伸及压缩性能的影响。单向层板的弯曲性能及层间剪切性能受界面性能影响大，对于后续多次进罐固化经历的热过程响应更显著，在研究多次进罐固化工艺时，重点考察单向层板多次固化对弯曲性能及层间剪切性能的影响。2.2.1多次固化对单向层板弯曲性能的影响分析表1为单向层板弯曲性能。图2为多次固化条件下单向层板弯曲性能对比。从表1和图2可以看出，2、3、4次固化的单向层板弯曲强度基本相近，比1次固化的弯曲强度高，1、2、3、4次固化的单向层板弯曲模量相当。原因是单向层板第1次固化的过程中存在残余的固化应力，在后续多次进罐固化过程使这些应力释放；第2次固化使树脂固化度进一步提高，所以弯曲强度有所升高。但经过第2次进罐固化，由于第1次固化成型中产生的固化应力已经基本释放完全，固化反应也基本进行完全，在3次及4次固化的单向层板弯曲强度和弯曲模量与2次固化的结果对比，几乎没有变化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.014.T001表1单向层板弯曲性能Tab.1Bending performance of unidirectional laminate固化次数/次弯曲强度/MPa弯曲强度偏差/MPa弯曲模量/GPa弯曲模量偏差/GPa1176127.91421.12185736.61350.83184098.01331.84184599.81370.410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.014.F002图2多次固化条件下单向层板弯曲性能对比Fig.2Comparison of bending performance of unidirectional laminates under multiple curing conditions2.2.2多次固化对单向层板层间剪切性能的影响分析表2为单向层板层间剪切性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.014.T002表2单向层板层间剪切性能Tab.2Interlayer shear performance of unidirectional laminate固化次数/次层间剪切强度层间剪切强度偏差1127.15.72132.48.53135.51.34136.70.5MPaMPa图3为多次固化条件下单向层板层间剪切性能对比。从表2和图3可以看出，随着固化次数的增加，单向层板的层间剪切强度略有提升，由于单向层板第1次固化的过程中存在残余的固化应力，在后续多次进罐固化过程使这些应力释放，同时树脂固化度进一步提高，所以剪切性能略有升高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.014.F003图3多次固化条件下单向层板层间剪切性能对比Fig.3Comparison of interlayer shear performance of unidirectional laminates under multiple curing conditions2.3多次固化对单向层板力学性能影响的机理分析2.3.1单向层板的固化度测试对比多次进罐固化前后层板力学性能的变化，整体趋势是多次进罐固化提高单向层板的弯曲强度和层间剪切强度，随着固化次数的增加，第2次固化提高后单向层板力学性能变化不明显。为了进一步确认造成该结果的原因，对不同固化次数的单向层板进行固化度分析。由于层板固化后树脂难以提取，所以将测试的预浸料的放热量作为完全固化反应的放热量，再依次测量层板的固化残余放热，据此计算层板的固化度。1、2、3、4次进罐固化的单向层板的固化度分别为：89.7%、92.6%、92.7%、92.8%。图4为多次固化条件下单向层板固化度对比。从图4可以看出，2、3、4次进罐固化后单向层板的固化度基本接近，但比1次进罐固化后单向层板的固化度有所提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.014.F004图4多次固化条件下单向层板固化度对比Fig.4Comparison of the degree of curing of unidirectional laminates under multiple curing conditions一般认为，树脂的模量与树脂的固化度之间存在关系，计算公式为：Em=E∞α+E0(1-α)（1）式（1）中：Em为树脂的模量，Pa；E∞为树脂完全固化时的模量，Pa；E0为树脂凝胶前的初始模量，Pa；α为树脂固化度，%。一般情况下，树脂的模量随着树脂的固化度升高而增大。而树脂的弯曲强度与层间剪切强度均与树脂模量有关，相同条件下树脂的模量越大，弯曲强度与层间剪切强度相应增大。多次进罐固化的单向层板中树脂的固化度依次略有增大，说明弯曲强度与层间剪切强度符合此规律。不同固化次数的单向层板弯曲模量的变化较小，由于弯曲模量更多由纤维模量决定。2.3.2单向层板动态力学分析为进一步分析多次固化时，在成型温度200 ℃左右条件下层板内部的物理化学变化，进行单向层板的DMA测试，图5为测试结果。从图5可以看出，层板的储能模量在层板温度达到250 ℃时，模量没有明显降低，而从损耗角正切峰值角度分析，层板的玻璃化转变温度在250 ℃。单向层板的多次固化是在层板的玻璃化转变温度以下进行，从固化度情况分析，后续固化确实能够提高单向层板树脂的固化反应程度，在后续的固化中，层板内部发生玻璃态内的固相反应，同时因为单向层板处在相对较高的温度，层板内树脂链段发生一定的次级转变，释放第1次固化过程中产生的内应力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.014.F005图5单向层板DMA测试Fig.5Unidirectional laminates DMA test综合固化度与动态力学性能的结果，多次固化处理使得单向层板发生等同于一定后处理的效果，提升层板的综合力学性能。3结论（1）多次固化提高复合材料单向层板的弯曲强度和层间剪切强度，且随着固化次数的增加，力学性能在第2次固化后变化不明显。（2）随着固化次数的增加，复合材料的固化度有所提高，固化度在第2次固化提高后没有明显变化。（3）一定限度的多次固化处理使复合材料层板发生等同于一定后处理的效果，提升层板的综合力学性能。（4）固化次数对碳纤维增强改性双马树脂复合材料单向层板力学性能的影响为前期研究，后续将深入研究固化次数对蜂窝夹芯结构力学性能的影响，为碳纤维增强改性双马树脂复合材料的工程化应用奠定基础。