先进树脂基复合材料制造技术综述(上)

2011-04-12  来源:西北工业大学机电学院,阎 龙,史耀耀  作者:西北工业大学机电学院,阎 龙,史耀耀  浏览次数:11197 加入收藏   |  分享

树脂基复合材料以其比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成型的独特优点在飞机上得到了大量应用,可实现飞机结构相应减重25%~30%。此外,通过复合材料结构/ 材...

    树脂基复合材料以其比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成型的独特优点在飞机上得到了大量应用,可实现飞机结构相应减重25%~30%。此外,通过复合材料结构/ 材料/ 工艺综合研究和材料/ 工艺/ 设计/ 电子/ 气动等学科交叉,深层次开发复合材料结构与功能可设计性潜力,可进一步提高飞机的综合性能。早在20世纪80 年代,人们就预测到2000 年飞机的绝大部分结构将采用复合材料,甚至出现全复合材料飞机。然而,到目前为止,这一预言尚未实现,其主要原因是复合材料构件的成本还远远高于铝合金构件,高成本阻碍了复合材料技术在航空航天等领域的更广泛应用[1]。因此,在已有主要材料体系基础上开发先进的低成本制造技术成为当今复合材料界的共识。目前可降低复合材料制造成本的主要技术途径有:复合材料低温固化技术、复合材料RTM 成型技术、自动缠绕与铺放技术、复合材料电子束固化技术、复合材料结构修理技术。

复合材料低温固化技术

    复合材料低温固化技术通常指固化温度小于100℃,可以在自由状态下进行高温后处理的复合材料相关制造技术。发展复合材料构件的低温固化技术,可以大大降低由昂贵模具、高能耗设备以及高性能工艺辅料等带来的高费用。此外,低温固化复合材料构件的尺寸精度高,固化残余应力低,适于制备大型和形状复杂的复合材料构件,也可用于复合材料工装材料以及复合材料结构件的修补等。复合材料低温固化技术是低成本制造技术的重要组成部分。

    复合材料低温固化技术的研究始于20 世纪70 年代,ACG 公司于1975 首先发展了第一个低温固化树脂体系LTM10。到20 世纪80 年代中期,低温固化复合材料开始应用于工装领域。20 世纪90 年代早期,低温固化复合材料首次用于航空结构件,如1985 年洛克希德·马丁公司采用LTM45 低温固化体系制备了UAV构件;1986 年NASA 和McDonel-Douglas 公司使用LTM10 体系/ 真空袋成型技术制造了X36 无人战斗机和UAV 的外蒙皮。国内关于低温固化复合材料研究的起步较晚,北京航空材料研究所成功研制出70℃固化,80~100℃使用的LT-01 碳纤维增强复合材料树脂体系,并用于制造大型运输机复合材料腹鳍。

    值得注意的是,低温固化复合材料,特别是低温真空压力成型复合材料,由于成型压力和温度较低,通常复合材料的孔隙率较高,严重地影响了复合材料力学性能、湿热性能等。

    因此,如何降低复合材料的孔隙率成为复合材料低温固化成型技术的研究重点。

复合材料RTM 成型技术

    树脂传递模塑(RTM)技术是一种适宜多品种、中批量、高质量复合材料构件制造的低成本成型技术,其基本原理是在设计好的模具中放置预成型增强体,闭合模具后,将所需的树脂注入模具,当树脂充分浸润增强材料后,加热固化,然后脱模获得产品。

    RTM 最突出的特点是将树脂浸润、固化成型过程和增强纤维结构设计、制造分开,这使得设计者可以创造独特的材料设计剪裁来满足精确而复杂的技术要求。另外,RTM技术是闭合模具设计和工艺设计,容易整体制造较大尺寸,形状复杂,带加筋、夹芯和镶件的结构。

    RTM 技术并不是图中各个步骤的简单组合。实际上,每一步都相互关联并最终决定着复合材料构件的质量。只有把的工艺路线作为一个整体统一考虑,才能最终获得高质量的制品和最好的经济性。

    RTM 技术的发展很快,目前在上述成型过程的基础上,还衍生出一些特殊RTM 技术。这些技术主要有:真空辅助RTM(VRTM)、压缩RTM(CRTM)、Seemann’s 复合材料树脂渗透模塑成型(SCRIMP)、树脂膜渗透成型(RFI)、热膨胀RTM(TERTM)、柔性RTM(FRTM)、共注射RTM(CIRTM)以及反应注射成型(RIM)等。

    RTM 技术已经广泛地应用于建筑、交通、电子、船舶以及航空航天等领域。越来越多的高性能复合材料构件采用RTM 技术制备。美国军用战斗机 F35 襟翼整流罩尺寸长为 3.6m,质量约 90kg,是至今为止使用低成本制造技术完成的最大尺寸的航空复合材料零件。我国在RTM 成型技术方面也取得了进展,北京航空材料研究院在雷达罩RTM 成方面积累了一定的经验,并将其用于相关产品的研制。

自动缠绕与铺放技术

    自动缠绕与铺放技术是实现复合材料“低成本、高性能”的重要手段之一。在先进复合材料,尤其航空航天高性能复合材料结构制造中应用极为广泛,占据相当重要的地位,近年来发展十分迅速。自动缠绕是指在控制张力和预定线型的条件下,将预浸胶纤维或带材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。自动铺放是指通过使用铺放设备按照一定规律把预浸胶纤维或带材铺放到模具表面,并用压紧辊压实。根据所用材料的不同,缠绕可分为带缠绕和纤维缠绕,铺放也可分为带铺放和纤维铺放。自动缠绕/ 铺放设备是实现自动缠绕/ 铺放成型技术的关键。

    缠绕/ 铺放的工艺流程包括:缠绕/ 铺放材料的制备、模具的制备、缠绕/ 铺放成型过程以及后期处理4 部分,影响缠绕/ 铺放工艺过程的主要参数有:带材(纤维)烘干、带材(纤维)含胶量、缠绕/ 铺放张力、缠绕/ 铺放压力、缠绕/铺放速度、温度、固化制度等。选择合理的缠绕/ 铺放工艺参数,是充分发挥原材料特性、优化缠绕/ 铺放成型过程、提高缠绕/ 铺放制品质量的关键。

    缠绕技术和铺放技术各有特点,缠绕工艺大多针对规则回转体凸面构件的成型,其重要组成部分是线型设计,即带材(纤维)在芯模表面的轨迹与排布方式。如果带材(纤维)无规则地乱绕,必然导致芯模表面出现离缝或重叠以及带材(纤维)的滑移不稳定、架空等现象,不能得到理想的制品。铺放工艺主要针对机翼、壁板等大尺寸、中小曲率部件的成型。与缠绕工艺不同,铺放工艺中靠压辊提供成型压力,且采用非连续成型,其轨迹规划较缠绕容易得多,不存在“周期性、稳定性、不架空性”的约束,铺设方向有很大的设计自由度。因此,两者的应用领域也各有侧重。复合材料缠绕制品主要包括管道、贮罐、发电机叶片、各类压力容器、固体火箭发动机壳体等。铺放技术则广泛地用于制造航空复合材料构件,尤其是飞机结构上的应用。

 

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