先进复合材料缠绕成型技术解析(上)

2011-07-05  来源:复合材料  作者:复合材料  浏览次数:15150 加入收藏   |  分享

先进复合材料(Advanced CompositeMaterials,ACM)是指高性能树脂基复合材料,即用碳纤维等高性能纤维增强的树脂基复合材料,其综合性能与铝合金相当,但比刚度、比强度要高于铝合金。随着先进复...

    先进复合材料(Advanced CompositeMaterials,ACM)是指高性能树脂基复合材料,即用碳纤维等高性能纤维增强的树脂基复合材料,其综合性能与铝合金相当,但比刚度、比强度要高于铝合金。随着先进复合材料的持续快速发展,其应用价值日益显著,在提高航天产品技术性能方面,复合材料的应用优势不仅体现在作为轻质化的结构材料,更体现在作为满足各种应用需求的先进功能材料,以及代表复合材料技术高层次发展的结构/功能一体化和多项功能一体化的高新技术材料。复合材料的广泛应用,在很大程度上取决于复合材料成型工艺。各种低成本制造技术应运而生,纤维缝合技术、树脂转移模塑成型技术(RTM)、树脂膜渗透成型技术(RFI)、低成本模具技术、低温低压固化技术、电子束固化技术、缠绕技术、铺放技术等得到迅速发展和应用。其中,缠绕、铺放技术是近年来发展最快、最有效的复合材料成型制造技术。缠绕技术是指在控制张力和预定线型的条件下,将预浸胶纤维或布带连续地缠绕在相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上,然后在室温或加热条件下使之固化成一定形状制品的方法。


 
图1 自动铺带头

    铺放技术是指通过使用铺放设备按照一定规律把预浸胶纤维或布带铺放到模具表面,并用压紧辊压实。带缠绕、带铺放则专指以预浸胶布带为材料的复合材料缠绕、铺放成型技术。目前,全世界已有多种类型的缠绕、铺放设备投入项目研制和实际生产(见图1和图2)。缠绕、铺放技术在降低制造成本和提高复合材料性能方面显示出极大的优越性和潜力。


 
图2 自动纤维铺放机

    带缠绕、带铺放成型及其优势

    1 带缠绕成型

    带缠绕成型技术是20世纪30年代发展起来的、最早的复合材料自动化成型技术。随着材料工艺技术、装备技术和设计理论与方法的进步,带缠绕成型技术快速发展。第一台缠绕机于1947年在美国Kellog公司问世,随后缠绕生产出第一台火箭发动机壳体,直径5英寸(12.7cm),长5英尺(152.4cm)。20世纪50年代美国宇航局和空军材料研究室用缠绕工艺成功研制出“北极星A3”导弹发动机壳体,在质量减轻1/2、射程提高1倍多的情况下,成本仅为钛合金的1/10,从而奠定了缠绕成型工艺在尖端军用产品制造中的重要地位。

    2 带缠绕成型的优点

    带缠绕成型技术通过力学设计,充分发挥布带拉伸强度高的特性,实现承受内/外压、弯曲、扭转、轴向载荷等情况下产品的制造。与其他成型工艺相比,带缠绕成型制品具有以下特点:

    (1)比强度高。

    带缠绕成型的复合材料制品,其比强度比钢高3倍,比钛高4倍。这是由于缠绕所采用布带的纤维束具有很高的拉伸强度,甚至高于合金钢。同时纤维束的直径很细,其表面微裂纹的尺寸和数量较小,从而减少了应力集中,使得布带具有较高的强度。

    (2)实现等强度结构。

    带缠绕成型可使制品结构在不同方向的强度比最佳。也就是说,在缠绕结构的任何方向上,均可使设计制品的材料强度与该制品实际承受的强度基本一致,使制品实现等强度结构。

    (3)成本低。

    带缠绕成型是各种复合材料成型方法中机械化、自动化程度较高的一种,大大提高了生产效率。而该工艺采用的原料(预浸胶布带),可批量生产,且浸胶方便,加工费用较低。因此相对降低了复合材料制品的成本。

    3 带铺放成型

    为解决机翼、壁板构件等大尺寸、中小曲率部件的复合材料成型,带铺放成型技术应运而生。第一台计算机控制的全自动铺带机由General Dynamics公司和Conrac公司合作完成,用于铺放F16战斗机的复合材料机翼部件[4]。随着大型运输机、轰炸机和商用飞机复合材料用量的增加,带铺放成型技术应用越来越广泛,铺带机技术也日益完备,目前带有双超声切割刀和缝隙光学探测器的十轴铺带机已经成为标准配置,铺带宽度最大达到300mm,生产效率达到1000kg/周,是手工铺叠的数10倍。

    4 带铺放成型的优点

    与其他成型工艺相比,带铺放成型技术具有很大的优势。

    (1)采用预浸胶布带和低张力,不存在稳定性的约束,带铺放成型技术可根据设计要求选择铺层方向;

    (2)按照制件的模具形状铺放布带,减少了原材料废边料,节省了原材料成本;

    (3)采用压辊装置,既可以实现任意曲面的成型,又可以保证成型压力自动可控,提高了制品质量;

    (4)铺放设备具有多自由度,不仅可以制造复杂型面的复合材料构件,而且能对铺层进行剪裁以适应局部加厚/混杂、铺层递减以及开口铺层等多方面的需要,满足各种设计要求,从而最大可能地节约了原材料,而且具有精度高、速度快、质量稳定、性能好等优点;

    (5)带铺放技术多采用功能强大的控制系统,自动化程度高,可实现复合材料构件的快速制造,迅速形成批量生产。

    带缠绕、带铺放成型研究现状及应用

    1 带缠绕成型技术研究现状及应用

    1.1 带缠绕成型的国内外研究现状带缠绕成型技术随着计算机技术、信息技术、控制技术的发展,在功能方面不断扩大。从国外来看,美国已将带缠绕成型工艺应用于型号研制:MD-2固体火箭发动机喷管部件中的13个零件,“侏儒”导弹的发动机喷管都是通过缠绕成型;欧洲、日本也在航天器、武器研制等领域广泛地应用带缠绕成型工艺:欧洲“阿里安”火箭的助推器喷管,法国M51导弹的壳体,日本M-3S2、H-I、H-H火箭的助推器喷管都在使用缠绕成型的复合材料。图3所示为缠绕成型中的M51导弹壳体。


    在国内,我国自60年代就开始研制复合材料缠绕设备及其成型工艺。如北京玻璃钢研究设计院、航天一院703所、航天四院43所、哈工大以及华中科技大学等单位先后研制出不同的复合材料缠绕成型设备。西工大通过自主研发的多功能布带数控缠绕机(见图4),工作效率高,缠绕出的制品达到型号工艺要求,成为能够满足高性能发动机喷管以及宇航飞行器绝热、耐烧蚀部件研制的关键配套设备。但是,上述缠绕成型设备基本上都是针对型面规则的回转体零件研制开发的,对于诸如大飞机的机翼、机身、风电叶片等大型非规则复杂结构件无法实现缠绕成型。


 
西工大自主研发的多功能布带数控缠绕机

    1.2 带缠绕成型的应用

    带缠绕成型技术在风力发电机组上的应用主要是叶片、机舱和导流罩的缠绕成型。叶片作为风力发电装置最关键、最核心的部分,其材料和制造工艺将决定风力发电机组的性能和功率,也决定风力发电机组的成本。针对复合材料风电叶片的缠绕成型,德国、丹麦、美国等风能资源利用较好的国家在大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、工艺装备等方面作了大量的研究开发工作,并取得了丰硕的成果。据报道,现今世界上最大风力发电机的装机容量为5MW,旋转直径可达126.3m。丹麦的LM公司为此装备配套缠绕出了61.5m长的复合材料叶片,单片叶片的重量接近18t,成为世界最大的复合材料叶片“巨人”。这一实例成功地体现了材料、结构和工艺三者的完美结合。

    作为可再生的清洁能源之一,我国已经开始注重风能的开发和利用。在国家科技攻关项目和863项目的共同支持下,我国已基本掌握了风力发电机组及复合材料叶片的设计和制造技术;“十五”期间,将完成MW级风力发电机组的研制,为我国风电产业参与常规能源市场竞争奠定基础。据最近的资料报道,到2020年,我国将投资2000亿元用于风力发电建设,新增风力发电能力将达3000MW,并要求风力发电装备本土化。为此,国内的一些企业和研究机构正在加紧研究开发1.5MW风力发电装备和与之配套的大型复合材料叶片。国家对可再生清洁能源的支持,为复合材料风电叶片缠绕成型技术提供了难得的发展机会。

 

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