航空级树脂基复合材料的低成本制造技术宋岩

航空级树脂基复合材料的低成本制造技术宋岩

宋岩

（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060）

摘要：低成本复合材料技术是目前复合材料结构技术研究的重点。本文阐述了航空级树脂基复合材料的低成本制造技术。

关键词：航空；树脂基复合材料；低成本制造技术

一、树脂基复合材料简介

1、概述。树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶等纤维增强体，它在航空、汽车、海洋工业中有着广泛的应用。

2、优点。1）比模量、比强度高；2)抗疲劳性好；3）减震性好；4）过载安全性好；5）具有多种功能（耐烧蚀性好、有良好的耐摩擦性能、高度的电绝缘性能、优良的耐腐蚀性能、有特殊的光学、电学、磁学性能）；6）成型工艺简单；7）材料的结构、性能具有可设计性。

二、自动铺放技术

1、自动铺带技术。在自动铺带领域，目前铺带宽度最大可达到300mm，铺带速度达1.3～20.4kg/h，生产效率可达到手工铺叠的数十倍。所有787翼面及翼盒构件均采用自动铺带技术制造。同时，针对批生产开发了定制的专用自动化设备，如波音787地板的龙门式铺带机采用双头的“大力神”设备。A350XWB将采用“TORRESLAYUP”11轴的龙门式高速铺带机，可铺300、150mm和75mm的宽带，铺带头内装有预浸带缺陷检测系统。

2、自动丝束铺放技术。该技术适用于大曲率机身和复杂曲面成型，目前铺丝速度可达6.8～11.3kg/h，最高可达23kg/h，最新的Viper6000系统可铺放并控制32个纤维束，每束宽3.2mm，以前的机器为24个丝束，从而使铺层带宽从7.6cm增到10.2cm。铺放速度达到30m/min，精度±1.3mm。787全部机身采用了自动铺放技术，可铺放6.5m直径、17m长的工件。Spirit航空系统公司将用最新的Eleetroimpaet自动铺放机铺787的机身41段，该设备为模块式纤维铺放机，模块更换时间30s，丝束宽6mm及12mm。

三、低温固化技术

该技术通常指固化温度小于100℃，可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，可极大地降低由昂贵模具、高能耗设备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，适用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，该技术的研究始于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。

四、电子束固化技术

电子束固化即高能量电子束碰撞目标分子，释放足够的能量使其产生一系列活泼的粒子，当邻近分子发生这一过程时，活泼粒子释放出能量，形成化学键。电子束固化的主要设备是电子加速器，电子在加速器中被加速，携带高能量与介质分子碰撞，引发介质的交联反应，实现树脂基复合材料的固化。同时，待固化的材料通常通过传送带或电动小车传送到电子加速器的电子束发射窗口下面接受辐射。电子束固化过程中的主要参数有：电子加速器能量、功率、辐射剂量率、辐射剂量、待同化材料的密度、厚度及材料本身的化学性质等。

作为一种固化方法，电子束固化技术并不能成为一种独立的成型工艺技术，必须与手工铺叠、树脂传递模塑(RTM)、缠绕、铺放、拉挤等工艺方法结合起来，才能成为一类完整的成型工艺技术。另外，电子束固化是一种新出现的制造技术，将作为一种低成本和非热压罐固化技术用来制造大型复合材料结构件。用电子束固化树脂基复合材料的优点是固化时间短、树脂的稳定性好、可与铺层工艺连续作业及在单一产品中能固化具有不同热固化循环的材料等，因此电子束固化技术的研究受到各方面的关注。目前，有一种将自动铺带与原位电子束固化结合起来的新工艺技术，它对降低复合材料结构、特别是大型整体结构的成本具有很大潜力。

五、液体成型技术

该项技术是以往复合材料低成本制造技术发展最重要的一个方向，它不需要用昂贵且使用、维护费用均较高的热压罐，能高精度、稳定地成型复杂构件，表面质量、尺寸精度、重复性均优于热压罐成型的构件，适用于制造较大批量的复合材料构件，其核心是树脂注入工艺及纤维预成型体的制造技术。初期发展的工艺是树脂转移模塑工艺(RTM)，其基本原理是将预成型体放置在设计好的模具中，闭合模具后，通过正压将所需的树脂注入模具，当树脂充分浸润增强体后，加热并保持正压固化，固化完后脱模获得产品。随着不同应用的需求，后期又发展出多种树脂注入的工艺，较为成熟的主要有VARTM(真空辅助吸入树脂的RTM工艺)、VARI(单面模具、真空辅助吸入，真空压力固化)、SCRIMP(加入高渗透率介质促进树脂流动，其他同VARI)及RFI(树脂膜渗透成型)。航空上可用的RTM树脂主要为环氧及双马来酰亚胺类，同时，RTM类工艺对树脂的要求是在注入温度下有较低的粘度，有足够长的工作时间，并且为提高复合材料性能还要求树脂有一定的韧性。需注意的是，RTM技术的成功应用与预成型体制备技术的发展紧密相连，选择适宜的预成型体对获得满足要求的复合材料构件和降低成本十分重要。

在纤维预成型体方面，要求选择适宜的近净预成型体，发展到目前主要有2D织物、3D织物、2D编织物、3D编织物和缝编织物。不同的编织方法对纤维的性能有不同程度的损伤，编织的密实程度影响着树脂的流动，不同的预成型体对最终产品的纤维体积含量有较大的影响。为了减少工艺试验费用，提高制件的合格率，许多研究者还进行了大量的计算机模拟研究，通过在不同温度、压力、结构条件下测试、模拟树脂在纤维编织体中的流动，预测树脂在具体零件中的流动状态，设计出最佳的流道，以得到缺陷最少的制件。另外，RTM及其他液体成型技术是除热压罐技术外发展最快、最有前途的低成本制造技术，目前在航空上的应用包括口盖、舱门、主梁、雷达罩等。

六、RFI技术

RFI即树脂膜渗透成型技术，也是液体成型技术的一种，与其他液体成型工艺的区别是树脂预先制成膜状铺放在纤维预成型体下方，加热时树脂流动是厚度方向的流动，极大地缩短了流程，使纤维更易被树脂浸润。相对于RTM工艺，RFI工艺能制造出纤维含量高、孔隙率极低、力学性能优异、制品重现性好、壁厚可随意调节的大型复合材料制件和复杂形状的制件，并可根据性能要求进行结构设计。RFI工艺采用真空袋压成型方法，免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具加工无需制备预浸料，挥发物少，成型压力低，生产周期短，劳动强度低，满足环保要求和低成本高性能复合材料的要求。RFI工艺是除RTM工艺外又一项可在航空上推广应用的低成本制造技术。

七、结语

总之，由于复合材料具有诸多显著优点,所以复合材料显示出比传统钢、铝合金结构材料更优越的综合性能,在飞机上已获得大量应用,可实现飞机结构相应减重25～30%。另外，作为目前的主导材料,复合材料的用量已成为飞机先进性,乃至航空领域先进性的一个重要标志,是我国的重点发展领域。

参考文献

[1]陈祥宝.树脂基复合材料制造技术[M].北京：化学工业出版社，2014，69-71.

[2]粱国正.用于RFI工艺的高性能树脂膜的研究[J].复合材料学报，2014(01).

[3]肖军.自动铺带技术研究进展[J].材料工程，2015(07).