先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的加工和應(yīng)用

1、北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文第1章 緒論1.1 前言復(fù)合材料（Composite Materials）,一詞大約出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代，由于其具有高度的復(fù)雜性多樣性存在著多種頗為嚴(yán)格的定義，國(guó)內(nèi)最權(quán)威的是兩院院士師昌緒給出的比較全面完整的定義，這個(gè)定義的敘述是：“復(fù)合材料是有有機(jī)高分子，無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類(lèi)不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料，它既能保留原組分材料的主要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)而獲得原組分所不具備的性能，與一般材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)的區(qū)別?！?1.2 先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強(qiáng)

2、度和最高比模量。特別是在2000以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。此外，其還兼具其他多種得天獨(dú)厚的優(yōu)良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動(dòng)衰減性、低熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優(yōu)良等。因此，碳纖維復(fù)合材料也同樣具有其它復(fù)合材料無(wú)法比擬的優(yōu)良性能，被應(yīng)用于軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，在航空航天領(lǐng)域的光輝業(yè)績(jī)，尤為世人所矚目。2005 年世界碳纖維的耗用量已超過(guò)2 萬(wàn)噸，圖1 為21 世紀(jì)前十年碳纖維需求量的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)情況。航空航天領(lǐng)域的碳纖維需求情況見(jiàn)表1 所示，約占總消耗量的20左右。圖 1: 世界碳纖維需求量(單位:噸)可維的需求量有所減少

3、，2002 年約減少20%，2003 年則減少約9 %。2003 年以后航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，2006 年與2001 年相比將增長(zhǎng)約40 %，2008 年將增長(zhǎng)約76 %，到2010 年和2001 年相比預(yù)計(jì)增長(zhǎng)超過(guò)100%。本文將介紹碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展2表 1: 世界碳纖維按應(yīng)用領(lǐng)域需求的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)1.2.1航空領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展T300 碳纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料已經(jīng)在飛行器上廣泛作為結(jié)構(gòu)材料使用，目前應(yīng)用較多的為拉伸強(qiáng)度達(dá)到5.5GPa，斷裂應(yīng)變高出T300 碳纖維的30的高強(qiáng)度中模量碳纖維T800H纖維。軍品碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材

4、料是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于戰(zhàn)機(jī)主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)件和戰(zhàn)機(jī)特殊部位的特種功能部件。國(guó)外將碳纖維/環(huán)氧和碳纖維/雙馬復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)機(jī)機(jī)身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%；復(fù)合材料垂直安定面可減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)，結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來(lái)衡量，國(guó)外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到2728%。未來(lái)以F-22為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體

5、材料。國(guó)外一些輕型飛機(jī)和無(wú)人駕駛飛機(jī)，已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。目前主要使用的是T300級(jí)和T700級(jí)小絲束碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。圖 2: 美國(guó)F22 軍用飛機(jī)民品在民用領(lǐng)域，555座的世界最大飛機(jī)A380由于CFRP的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。飛機(jī)25%重量的部件由復(fù)合材料制造，其中22%為碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP), 3%為首次用于民用飛機(jī)的GLARE纖維金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復(fù)合材料的層狀結(jié)構(gòu)）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩(wěn)定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門(mén)、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機(jī)身、水

6、平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對(duì)碳纖維龍骨梁和復(fù)合材料后密封框復(fù)合材料用于飛機(jī)的密封禁區(qū)發(fā)起挑戰(zhàn)后，A380又一次對(duì)連接機(jī)翼與機(jī)身主體結(jié)構(gòu)中央翼盒新的禁區(qū)發(fā)起了成功挑戰(zhàn)3。僅此一項(xiàng)就比最先進(jìn)的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會(huì)因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經(jīng)濟(jì)性比其直接競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型要低13%左右，并降低了運(yùn)營(yíng)成本，座英里成本比目前效率最高飛機(jī)的低15%-20%，成為第一個(gè)每乘客每百公里耗油少于三升的遠(yuǎn)程客機(jī)。圖 3: 空中客車(chē)A-3801.2.2航天領(lǐng)域的新進(jìn)展火箭、導(dǎo)彈以高性能碳(石墨)纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、

7、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化構(gòu)件材料，在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星飛行器上也發(fā)揮著不可替代的作用。其應(yīng)用水平和規(guī)模已關(guān)系到武器裝備的跨越式提升和型號(hào)研制的成敗。碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展推動(dòng)了航天整體技術(shù)的發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國(guó)侏儒、民兵、三叉戟等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上均已成熟應(yīng)用，美國(guó)、日本、法國(guó)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體主要采用碳纖維復(fù)合材料，如美國(guó)三叉戟-2 導(dǎo)彈、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、大力神一4 火箭、法國(guó)的阿里安一2 火箭改型、日本的M-5火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其中使用量最大的是美國(guó)赫克

8、里斯公司生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度為5.3GPa 的IM-7 碳纖維，性能最高的是東麗T-800 纖維，抗拉強(qiáng)度5.65Gpa、楊氏模量300GPa。由于粘膠基原絲的生產(chǎn)由于財(cái)經(jīng)及環(huán)保危機(jī)的加劇，航天級(jí)粘膠碳絲原料的來(lái)源一直是美國(guó)及西歐的軍火商們深感棘手的惱頭問(wèn)題。4五年前，法國(guó)SAFRAN 公司與美國(guó)WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分來(lái)源的非航天級(jí)粘膠原絲新原料開(kāi)發(fā)成功名為RaycarbC2TM 的新型纖維素碳布，并經(jīng)受了美軍方包括加工、熱/結(jié)構(gòu)性質(zhì)及火焰沖刷試驗(yàn)在內(nèi)的全部資格測(cè)試，在固體發(fā)動(dòng)機(jī)的全部靜態(tài)試驗(yàn)中都證明該替代品合格，2004 年十一月，該碳布/酚醛復(fù)合

9、材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飛行。圖 4: 法國(guó)阿里安娜V 型導(dǎo)彈衛(wèi)星、航天飛機(jī)及載人飛船高模量碳纖維質(zhì)輕，剛性，尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好，因此很早就應(yīng)用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽(yáng)能電池板和天線中?，F(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開(kāi)式太陽(yáng)能電池板多采用碳纖維復(fù)合材料制作，而太空站和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件也往往采用碳纖維復(fù)合材料作為主要材料。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料被作航天飛機(jī)艙門(mén)、機(jī)械臂和壓力容器等。美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的熱瓦，十分關(guān)鍵，可以保證其能安全地重復(fù)飛行。一共有8 種：低溫重復(fù)使用表面絕熱材料LRSI；高溫重復(fù)使用表面絕熱材料HRSI；柔性重復(fù)使用表面絕熱材料FRSI；高級(jí)柔性

10、重復(fù)使用表面絕熱材料AFRI；高溫耐熔纖維復(fù)合材料FRICHRSI；增強(qiáng)碳/碳材料RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強(qiáng)碳/碳材料RCC，最為要的，它可以使航天飛機(jī)承受大氣層所經(jīng)受的最高溫度1700。5隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維的產(chǎn)量不斷增大，質(zhì)量逐漸提高，而生產(chǎn)成本穩(wěn)步下降。各種性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料將會(huì)越來(lái)越多地出現(xiàn)在航空航天中,為世界航空航天技術(shù)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。第2章 復(fù)合材料的真空袋成型工藝2.1 復(fù)合材料真空袋成型先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能 ,應(yīng)用前景廣闊 ,但是由于目前較多地采用熱壓罐成型工藝 制備 ,存在成本較高、制件尺寸受限制等因素 ,因此 復(fù)合材料工作者不斷研究各

11、種非熱壓罐成型工藝 , 其中真空袋成型工藝由于具靈活 、簡(jiǎn)便 、高效等特 點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。真空袋成型工藝的主要設(shè)備是烘箱或其他能提 供熱源的加熱空間 ,其組裝方法一般與熱壓罐工藝 類(lèi)似。對(duì)于熱壓罐成型工藝 ,由于工藝過(guò)程中施加 較高的壓力 (通常為 0. 3 0. 7M Pa ) ,大部分材料中 的孔隙通過(guò)真空系統(tǒng)逸出或隨著多余樹(shù)脂的流出而排出 ,剩余的孔隙發(fā)生壓縮、破碎并溶解在基體中 , 從而得到低孔隙含量的復(fù)合材料 ,特別是不會(huì)遺留 下大尺寸的缺陷。但是在真空袋成型工藝中 ,由于 真空壓力最多為一個(gè)大氣壓 ,孔隙和揮發(fā)分只能通 過(guò)逸出的方式排出 ,因此與熱壓罐成型工藝相比 ,預(yù)浸料鋪層中

12、的孔隙和揮發(fā)分的處理是一個(gè)問(wèn)題 ,所制備材料的孔隙率通常為 3 %或更高 , 而高孔隙含 量會(huì)直接影響到復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐濕熱性 能。針對(duì)這一問(wèn)題 ,主要存在兩種技術(shù)路徑 ,一種是從樹(shù)脂體系入手 ,調(diào)節(jié)樹(shù)脂的流變特性 ,使孔隙和揮發(fā)分在預(yù)浸料凝膠前盡可能逸出 ; 另一種途徑就是通過(guò)工藝措施的改進(jìn) ,使預(yù)浸料中的孔隙和揮發(fā)分在制備過(guò)程中更容易排出 ,雙真空袋 (DB )成型工藝 就是這種途徑的有益嘗試。從上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始 ,美國(guó) Naval Air Wa rfa re Cente r和 NASA Langley R esearch Center就相繼開(kāi)展了多種樹(shù)脂體系和多種形式的雙真空

13、袋成型工藝的 研究 69 ,雙真空袋成型工藝就是在預(yù)浸料毛坯上 封兩層真空袋 ,兩層真空袋之間放置一導(dǎo)氣工裝 ,兩 層均與真空系統(tǒng)連接 ,其原理就是在復(fù)合材料固化 過(guò)程中 ,在預(yù)浸料處于 B 階段時(shí) , 使預(yù)浸料鋪層暴露在真空中但同時(shí)并不承受任何壓實(shí)的作用力 ,從 而促使預(yù)浸料毛坯中的孔隙和樹(shù)脂中的揮發(fā)分能夠 很容易地逸出 。本工作將通過(guò)對(duì)雙真空成型工藝的 研究 ,對(duì)通常的真空袋成型工藝進(jìn)行改進(jìn) ,以提高真 空袋成型工藝制備的復(fù)合材料的品質(zhì) 。2.2 試 驗(yàn)采用 L T2 03 / T700 SC 復(fù)合材料體系 , 推薦工藝 為 :在室溫抽真空 ,以每分鐘 2 3 的速率升溫至75 ,恒溫 7

14、 h,然后以不大于 0. 5 /m in 的速度冷卻至 40 以下取出制件。由于雙真空袋工藝只是在一定階段采用雙真空的模式 ,該階段的設(shè)置需要結(jié)合具體樹(shù)脂體系的流 變特性和凝膠特性來(lái)研究確定 。L T2 03 樹(shù)脂體系的 粘度 - 溫度曲線 (升溫速率為2 /min ) 如圖 5所示 ,樹(shù)脂在 30 時(shí)具有較高的粘度 , 開(kāi)始升溫后粘度迅速下降 ,在約55 時(shí)降至 10 Pa·s,然后一直到約 90 以前均處于一個(gè)低粘度區(qū)間。試驗(yàn)過(guò)程中 分別在高粘度區(qū)和低粘度區(qū)進(jìn)行工藝設(shè)置如圖 6 所示 ,分別在 30 , 55 , 65 和 75 設(shè)置雙真空工藝平臺(tái) ,以考察工藝對(duì)樹(shù)脂粘度的依賴(lài)性

15、 。同時(shí)進(jìn)行真空袋工藝的對(duì)比試驗(yàn) ,然后根據(jù)分析測(cè)試結(jié)果來(lái) 對(duì)工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化 。圖 5 L T2 03樹(shù)脂的粘度 溫度曲線通過(guò)測(cè)試復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度來(lái)初步表征工藝過(guò)程對(duì)復(fù)合材料學(xué)性能的影響 ,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采 用 JC / T 773 - 1982;通過(guò)超聲C 掃描考察復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量 ,并結(jié)合光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察復(fù)合材料中孔隙含量和樹(shù)脂對(duì)纖維的浸漬情況 。2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析2.3.1 D B工藝對(duì)層間剪切強(qiáng)度的影響對(duì)幾種工藝制備的復(fù)合材料測(cè)試厚度和重量 , 結(jié)果見(jiàn)表 2?？梢哉J(rèn)為 DB 2a, DB 2b 和 DB 2c 工藝均 未對(duì)材料固化過(guò)程的流膠和壓實(shí)產(chǎn)生顯著影響 ; 而 DB 2d

16、工藝由于設(shè)置的溫度平臺(tái)過(guò)高 ,恒溫 60m in后 粘度迅速增加 ,如圖 7 所示 ,預(yù)浸料壓實(shí)不充分 ,導(dǎo) 致復(fù)合材料板材偏厚 ,因此未繼續(xù)參與工藝的評(píng)價(jià)。層間剪切強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果如圖 8 所示 ,與普通真空 袋工藝相比 ,當(dāng)在樹(shù)脂固化加熱過(guò)程中的高粘度區(qū) 間設(shè)置 DB 工藝平臺(tái)時(shí) ,復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度 無(wú)明顯變化 , 而在 55 和 65 的低粘度區(qū)間設(shè)置 DB 工藝平臺(tái)后 ,二者的層間剪切強(qiáng)度分別由真空袋 工藝的 70. 7M Pa大幅度提高至 85M Pa和 83. 5M Pa, 因此可以初步認(rèn)為 DB 工藝的適當(dāng)設(shè)置顯著提高了L T - 03 / T700 SC復(fù)合材料的力學(xué)性能。

17、圖6 DB工藝的設(shè)置V acuum bagp roce ss309g279g g2.08mmDB 2a307g278g2.06mmDB 2b308g276g2.08mmDB 2c309g280g2.08mm表 2300mm×300mm 的L T2 03 / T700SC復(fù)合料板材的重量和厚度圖 775 時(shí) L T2 03樹(shù)脂的粘度曲線圖 8DB 工藝對(duì)復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的影響( 1 真空袋工藝 ; 2DB 2a工藝 ; 3DB 2b工藝 ;4DB 2c工藝 )2.4 復(fù)合材料板材質(zhì)量的分析圖 9為復(fù)合材料板材的超聲 C 掃描圖像 ,可以發(fā)現(xiàn)超聲 C 掃描圖像與復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度

18、。具有非常明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系 , 真空袋工藝和 DB 2a 工 藝制備的板材中有一些程度不等的缺陷 ,分別對(duì)應(yīng) 層間剪切強(qiáng)度為 70.7M Pa 和 71.5M Pa相比較而言 , DB 2b工藝和 DB 2c 工藝制備的板材內(nèi)部質(zhì)量較 好 ,層間剪切強(qiáng)度得到了顯著提高。這表明相應(yīng) DB工藝平臺(tái)的設(shè)置 ,使材料的內(nèi)部質(zhì)量得到較大的改進(jìn) 。通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察可了解材料中介于微觀和宏觀尺度之間的缺陷構(gòu)成和分布狀況 ,如圖 10 所示 ,真空袋工藝和DB 2a 工藝制備的板材中存在較多數(shù)量的孔隙 ,尤其是富樹(shù)脂區(qū)內(nèi)的孔隙沒(méi)有充分排除 ,而 DB 2b 和 DB 2c 工藝 制備的

19、板材中孔隙很少 。在通常的真空袋工藝制備的復(fù)合材料中 ,孔隙主要來(lái)源于樹(shù)脂配制過(guò)程中裹入的空氣、樹(shù)脂中的揮發(fā)分或小分子副產(chǎn)物以及預(yù)浸料鋪貼的操作過(guò)程中裹入預(yù)浸料片層之間的空氣 。在鋪貼中預(yù)壓實(shí)操作和固化時(shí)抽真空雖然可以 抽走大部分的空氣 ,但是由于預(yù)浸料通常具有一定粘性 ,預(yù)浸料片層會(huì)局部粘結(jié)在一起 ,而且真空對(duì)毛 坯存在一個(gè)壓實(shí)作用 ,在一定程度上封閉了孔隙排出的通道 ,并且使預(yù)浸料毛坯內(nèi)部孔隙和毛坯外部 的壓力梯度降低 ,減小了孔隙運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力 ,因此毛 坯中的部分孔隙難以排出而滯留在復(fù)合材料中構(gòu)成缺陷。圖 9不同工藝制備復(fù)合材料的 C掃描圖像( a)真空袋工藝 ; ( b) DB 2a工

20、藝 ; ( c) DB 2b工藝 ; ( d) DB 2c工藝而在 DB 工藝中 ,預(yù)浸料毛坯處于真空環(huán)境中,且不存在壓實(shí)力的作用 ,因此孔隙運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力始 終不低于一個(gè)大氣壓 ,當(dāng)溫度升高時(shí) ,壓力梯度進(jìn)一步增加 ,有利于孔隙的排除 ,同時(shí)纖維束內(nèi)孔隙的排除也有利于樹(shù)脂對(duì)纖維束的浸漬。因此在樹(shù)脂粘度較低時(shí)引入 DB 工藝可以顯著降低復(fù)合材料的孔隙 含量 ,使得采用真空成型工藝制備的板材的質(zhì)量能 夠達(dá)到接近于熱壓罐成型工藝的水平 。圖 10不同工藝制備復(fù)合材料的光學(xué)顯微圖像( a)真空袋工藝 ; ( b) DB 2a工藝 ; ( c) DB 2b工藝 ; ( d) DB 2c工藝復(fù)合材料真空袋

21、成型工藝示意圖：圖112.5 結(jié)語(yǔ)使用真空袋成型工藝制備了 L T2 03 / T700SC復(fù) 合材料 ,并對(duì)該工藝進(jìn)行了研究和優(yōu)化 ,結(jié)果表明 ,與 常規(guī)真空袋成型工藝相比 ,真空袋成型工藝有利于 孔隙的排出 ,制備的復(fù)合材料孔隙含量較低 ,力學(xué)性 能大幅度提高 ,復(fù)合材料的質(zhì)量得到較大改進(jìn)。第3章先進(jìn)復(fù)合材料熱壓罐共固化技術(shù)3.1熱壓罐成型 高聚物基復(fù)合材料熱壓罐成型(vacuum/auto-eave proeess for polymer matrix eomposite)利用 真空袋和熱壓罐，加熱、加壓成型復(fù)合材料制品的方 法。真空袋的作用是在熱壓罐固化過(guò)程中加速坯料中陷入的空氣或其他

22、揮發(fā)物的逸出。因此，這種成型方法又稱(chēng)熱壓罐/真空除氣成型。它是采用連續(xù)纖維單向預(yù)浸 料，制備高性能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料最常用的方法。在航空航天部門(mén)應(yīng)用最廣。原理和工藝過(guò)程熱固性高聚物基體受熱后，經(jīng)軟化流動(dòng)階段，轉(zhuǎn)變成凝膠態(tài)和玻璃態(tài)(完全固化)。抽真空和在凝膠轉(zhuǎn)變之前的某一時(shí)刻施加壓力，可將預(yù)浸料 中的空氣、揮發(fā)物和多余的基體排除，使制品密實(shí)。熱壓罐成型制品時(shí)，將單層的預(yù)浸料按預(yù)定方向鋪覆到附有脫模劑的模具表面，再依次用多孔防粘布(膜)、吸膠 材料、透氣氈覆蓋，然后密封于真空袋內(nèi)。將整個(gè)包封裝置推入熱壓罐內(nèi)，接上抽空管線，將袋內(nèi)抽空并按規(guī)定的固化制度進(jìn)行升溫、加壓固化。 固化制度的制定是真空熱壓罐成型工

23、藝的關(guān)鍵。早期是通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)出高聚物基體的起始反應(yīng)溫度，在給 定壓力和溫度下的流動(dòng)性，凝膠轉(zhuǎn)變以及最終固化物的 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度幾和力學(xué)性能，依此確定合理的固化制度。70年代中后期，隨著監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，利用高 聚物基體在固化過(guò)程中出現(xiàn)的物理、化學(xué)性能的變化，在熱壓罐上配置動(dòng)態(tài)介電分析、超聲粘度跟蹤和光纖傳 感器裝置，對(duì)熱壓罐進(jìn)行在線監(jiān)控，從而保證溫度和壓力的準(zhǔn)確應(yīng)用。80年代初期，針對(duì)高聚物基體的固化過(guò)程和質(zhì)量要求，建立了固化理論模型，對(duì)高聚物基復(fù)合材料的固化進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制。 特點(diǎn)和應(yīng)用真空熱壓罐成型的特點(diǎn)是能夠精確地 保證制品中纖維方向、制品的幾何尺寸形狀和體積分?jǐn)?shù)。由于使用真空袋和加壓，制品

24、孔隙率降到2%以 下，可以得到高質(zhì)量的復(fù)合材料制品。因?yàn)槌尚蜁r(shí)只有一個(gè)表面為模具控制，模具價(jià)格較模壓法低廉。目前，熱壓罐的成型溫度可達(dá)500，壓力通常為2.OMPa，罐體最大尺寸為直徑7.6米，長(zhǎng)18米。可應(yīng)用于環(huán)氧、雙馬來(lái)酞亞胺、聚酞亞胺等熱固性和各種熱塑性樹(shù)脂基 體復(fù)合材料及制品的成型。103.1.1熱壓罐成型技術(shù)以熱壓罐成型技術(shù)為主制造的航空先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在各類(lèi)飛機(jī)制造上都不同程度進(jìn)入了批量生產(chǎn)階段，有的型號(hào)已生產(chǎn)了數(shù)百架份的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，并經(jīng)過(guò)了十多年的使用考核，為進(jìn)一步擴(kuò)大先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用提供了實(shí)用的工程經(jīng)驗(yàn)。但我們必須清醒看到，先進(jìn)復(fù)合材料的制造成本居高不下、批

25、產(chǎn)中質(zhì)量的不一致性、對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料特性缺乏足夠的認(rèn)識(shí)等仍然是阻礙先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上擴(kuò)大應(yīng)用的主要因素，這也是我國(guó)航空先進(jìn)復(fù)合材料與先進(jìn)國(guó)家航空復(fù)合材料應(yīng)用差距巨大的問(wèn)題所在。11因此，立足現(xiàn)有的熱壓罐法，如何降低其制造成本是我們的當(dāng)務(wù)之急，如選用工藝特性?xún)?yōu)良的樹(shù)脂體系、國(guó)產(chǎn)輔助材料的采用、成型模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及過(guò)程細(xì)節(jié)的嚴(yán)格控制等，都可以在降低制造成本的同時(shí)，明顯的提高制件的合格率。本課題針對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)成型的產(chǎn)品，從材料開(kāi)發(fā)、工藝優(yōu)化、性能檢測(cè)到售后服務(wù)等環(huán)節(jié)，以低成本為主導(dǎo)線，詳細(xì)描述了一個(gè)熱壓罐共固化技術(shù)工程化的范例，達(dá)到了在熱壓罐成型方面明顯降低制造成本的目的。3.2技術(shù)難

26、點(diǎn)復(fù)合材料共固化技術(shù)要進(jìn)入工程化，必須從材料、工藝、檢測(cè)和售后等環(huán)節(jié)入手，高產(chǎn)品質(zhì)量與低制造成本并行研究，高生產(chǎn)效率與低缺陷率并行考慮，建立低成本、高質(zhì)量、高效率和低缺陷的復(fù)合材料工程化制造體系，達(dá)到整個(gè)工程的低成本化、技術(shù)完整化。先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)工程化要實(shí)現(xiàn)低制造成本必須攻克的技術(shù)難點(diǎn)主要有：（1） 低成本的原材料貨源和多品種預(yù)浸料的開(kāi)發(fā)與儲(chǔ)備；（2） 共固化技術(shù)所需輔助材料的國(guó)產(chǎn)化研究；（3） 共固化成型工藝的優(yōu)化；（4） 產(chǎn)品性能檢測(cè)項(xiàng)目的合理性以及產(chǎn)品質(zhì)量的保證；（5） 先進(jìn)復(fù)合材料制品缺陷修復(fù)手段和修復(fù)后的性能表征。3.3技術(shù)方

27、案3.3.1 多品種預(yù)浸料的開(kāi)發(fā)由于復(fù)合材料的基體用原材料性能不穩(wěn)定，加上材料體系易受運(yùn)輸、保管因素的影響，使得預(yù)浸料的工藝性能出現(xiàn)較大的差異，從而影響先進(jìn)復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量。此外，先進(jìn)復(fù)合材料件在固化過(guò)程中出現(xiàn)的某些局部缺陷，由于很難找到一種與之性能相當(dāng)?shù)臉?shù)脂體系對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，構(gòu)件因不能滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)要求而無(wú)法使用，增加了構(gòu)件的制造成本。為提高和穩(wěn)定先進(jìn)復(fù)合材料的成型質(zhì)量，降低先進(jìn)復(fù)合材料的制造成本，我們根據(jù)不同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件研制開(kāi)發(fā)了中高溫度固化、韌性不同的NY9200環(huán)氧樹(shù)脂體系，原材料均為國(guó)產(chǎn)，價(jià)廉易購(gòu)；其配制工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量穩(wěn)定，可用于濕法或法預(yù)浸，無(wú)污染，易工程化；其預(yù)浸料具有貯存期

28、長(zhǎng)，固化溫度帶寬，固化時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)；其先進(jìn)復(fù)合材料具有韌性和機(jī)械性能兼優(yōu)的特性，完全可滿(mǎn)足使用溫度為80130的國(guó)內(nèi)先進(jìn)復(fù)合材料對(duì)樹(shù)脂基體的要求。其先進(jìn)復(fù)合材料層壓板的基本性能如表3所示。11該樹(shù)脂體系復(fù)合材料已批量用于各類(lèi)航空產(chǎn)品，經(jīng)測(cè)算每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約120元，其制造成本的降低貢獻(xiàn)率為8.6%。3.3.2 輔助材料的國(guó)產(chǎn)化研究共固化技術(shù)采用的是真空-氣壓相結(jié)合的熱壓罐成型法，為保證先進(jìn)復(fù)合材料的制造質(zhì)量，工藝上通常選用的輔助材料有隔離膜、脫模布、真空袋膜和透氣氈等材料。由于國(guó)內(nèi)先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展起步較晚，因此，國(guó)內(nèi)許多廠家所用的輔助材料均依賴(lài)于進(jìn)口，這樣不僅價(jià)格

29、高，需花費(fèi)大量的外匯（輔助材料成本約占材料總成本的80%），而且還常常因進(jìn)貨渠道等問(wèn)題難于保證生產(chǎn)的進(jìn)度需要，特別是先進(jìn)復(fù)合材料制造成本方面，嚴(yán)重地阻礙了這一先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展12。經(jīng)過(guò)多年的調(diào)研和試驗(yàn)，我們?cè)谏a(chǎn)中已確定用多種國(guó)產(chǎn)輔助材料替換進(jìn)口輔助材料。國(guó)產(chǎn)化輔助材料的應(yīng)用，打破了完全依賴(lài)進(jìn)口的被動(dòng)局面，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)輔助材料的研究進(jìn)程，使制造成本大大下降。在工程化應(yīng)用實(shí)踐中，輔助材料的樣板化下料也是減少生產(chǎn)成本的的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)輔助材料的使用和生產(chǎn)環(huán)節(jié)過(guò)程中的規(guī)范下料，每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約470元，制造成本降低貢獻(xiàn)率高達(dá)33.6%。 圖123.3.3 共固化

30、成型工藝的優(yōu)化對(duì)于封閉式盒形典型結(jié)構(gòu)部件，通常是采用對(duì)合?？刂仆庑?，內(nèi)腔橡膠軟模施壓的共固化工藝技術(shù)，也就是在對(duì)合模具中，在預(yù)浸料蒙皮、墻體間采用特種橡膠軟模及真空系統(tǒng)將墻體與蒙皮一次性成型出來(lái)，如圖12(a)所示。在加溫固化過(guò)程中，對(duì)預(yù)制品施加壓力是靠橡膠軟模的熱膨脹力來(lái)完成的。這種成型工藝使用的橡膠軟模成本極高，且存在以下的問(wèn)題：（1）對(duì)于預(yù)浸料蒙皮或墻體設(shè)計(jì)層數(shù)較多時(shí)，材料中的小分子物較難排盡，產(chǎn)品容易產(chǎn)生疏松及孔隙率缺陷。（2）橡膠軟模是作為壓力源使用的，由于橡膠軟膜較厚，尤其是在角區(qū)，其膨脹能力與其他部位存在差異，不能使墻和蒙皮的過(guò)渡角區(qū)完全貼合，導(dǎo)致蒙皮與墻體脫粘、疏松。（3）軟模

31、各部位的熱膨脹力的計(jì)算復(fù)雜，使用次數(shù)有限，成型模設(shè)計(jì)要求高。（4）軟模在加熱過(guò)程中因熱傳導(dǎo)問(wèn)題，導(dǎo)致制件加熱固化不定因素增多，引起固化后質(zhì)量不穩(wěn)定。針對(duì)上述問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，在工程化生產(chǎn)中不斷改進(jìn)，將軟模共固化工藝優(yōu)化為圖12（b）所示形式，利用這種工藝方案連續(xù)生產(chǎn)300多架份的復(fù)合材料產(chǎn)品，質(zhì)量一直穩(wěn)定。為提高工程化生產(chǎn)的質(zhì)量，在共固化技術(shù)上除了采用上述工藝方案外，還在預(yù)固化參數(shù)、控制含膠量、氣體導(dǎo)流和尺寸控制等方面采取了優(yōu)化技術(shù)，使熱壓罐共固化技術(shù)達(dá)到最優(yōu)化，產(chǎn)品合格率達(dá)到99%以上。通過(guò)對(duì)共固化工藝的多方面優(yōu)化，每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約600元，對(duì)制造成本降低的貢

32、獻(xiàn)率為42.8%。3.3.4性能測(cè)試項(xiàng)目?jī)?yōu)化方案先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件在固化成型后必須進(jìn)行外形尺寸檢驗(yàn)、內(nèi)部質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)和隨爐試樣的強(qiáng)度測(cè)試。檢查時(shí)間與整個(gè)制件成型時(shí)間相當(dāng)。由于產(chǎn)品進(jìn)入批量生產(chǎn)，隨爐試樣要耗費(fèi)公司大量的人力物力，因此如何優(yōu)化隨爐試樣的測(cè)試項(xiàng)目也是提高生產(chǎn)效率、降低制造成本的一個(gè)方面。隨爐試樣的性能不是用來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的，而是用來(lái)考核工藝的穩(wěn)定性的，根據(jù)國(guó)際航空復(fù)合材料轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的一貫作法以及我公司在對(duì)60罐次的隨爐試樣的性能測(cè)試值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，將4項(xiàng)指標(biāo)減為2項(xiàng)，即留下層間剪切和含膠量。通過(guò)對(duì)性能測(cè)試項(xiàng)目?jī)?yōu)化，每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約120元，對(duì)制造成本降低

33、的貢獻(xiàn)率為8.6%。3.3.5修補(bǔ)技術(shù)研究進(jìn)入工程化生產(chǎn)后，由于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用，在此過(guò)程中難免存在缺陷/損傷，先進(jìn)復(fù)合材料制件的生產(chǎn)和售后服務(wù)成為急待解決的問(wèn)題。通過(guò)大量的工藝試驗(yàn)和強(qiáng)度性能測(cè)試，我們對(duì)各種缺陷/損傷類(lèi)型給出了具體的修補(bǔ)方案，形成了修補(bǔ)文件。除常用的注射樹(shù)脂修補(bǔ)、填充和灌注修補(bǔ)、螺接外補(bǔ)強(qiáng)板修補(bǔ)以及膠接外補(bǔ)強(qiáng)板修補(bǔ)方法外，還根據(jù)我們公司復(fù)合材料制件的特點(diǎn)研制了適用于撞擊及碰傷導(dǎo)致的先進(jìn)復(fù)合材料制件內(nèi)部疏松、分層、蜂窩受損等缺陷/損傷的修補(bǔ)法，如預(yù)浸料補(bǔ)片法、固化補(bǔ)片法。這些方法的技術(shù)難點(diǎn)在于補(bǔ)片的同心度控制和缺口斜階的控制。在同心度方面專(zhuān)門(mén)研制了一套定位板用于取樣和定位

34、，在斜階方面通過(guò)特制工具和試驗(yàn)獲得斜階的長(zhǎng)厚比。13在共固化技術(shù)工程化應(yīng)用的前期，我們?cè)霈F(xiàn)過(guò)制造質(zhì)量不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象，通過(guò)我們的修補(bǔ)技術(shù)，該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件已使用多年，并且質(zhì)量一直良好。在這方面，平均對(duì)制造成本降低貢獻(xiàn)率達(dá)到6.4%。3.4結(jié)語(yǔ)先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)在某型機(jī)上自90年代初得到應(yīng)用以來(lái)，已生產(chǎn)了350余架次，實(shí)現(xiàn)了工程化的目標(biāo)。通過(guò)原材料的開(kāi)發(fā)、輔助材料的國(guó)產(chǎn)化研究、共固化工藝的優(yōu)化、性能測(cè)試項(xiàng)目的優(yōu)化和修補(bǔ)技術(shù)的研究，將一套完整共固化技術(shù)應(yīng)用于批生產(chǎn)的同時(shí)，又獲得了極大的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了低成本共固化技術(shù)的工程化應(yīng)用。通過(guò)該材料的工程化應(yīng)用，我們可得出以下的結(jié)論：（1）金屬-

35、橡膠組合式芯模用于盒形結(jié)構(gòu)受力部件的共固化成型，能夠?qū)崿F(xiàn)均壓效果，并能有效降低制造成本；（2）國(guó)產(chǎn)化輔助材料的應(yīng)用，能夠滿(mǎn)足復(fù)合材料制造使用工藝要求，降低工程化制造成本；（3）工程化生產(chǎn)的隨爐試樣（片）性能跟蹤測(cè)試項(xiàng)目，可以進(jìn)行優(yōu)化選擇，以降低生產(chǎn)成本；（4）工程化生產(chǎn)的同時(shí)，開(kāi)展有針對(duì)性的修補(bǔ)技術(shù)研究，既可解決生產(chǎn)過(guò)程中超差品的修補(bǔ)問(wèn)題，也是產(chǎn)品使用過(guò)程的有效保障，技術(shù)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效果兼得；（5）降低熱壓罐成型法制造成本的其他有益研究還有待不斷開(kāi)發(fā)。第4章 結(jié)論先進(jìn)復(fù)合材料以其比強(qiáng)度比模量高 、耐高溫性能好 、耐疲勞性能優(yōu)越等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展.真空袋成型，熱壓罐成型技術(shù)的成熟發(fā)展更是極大的推動(dòng)了先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展,目前較多的采用熱壓罐成型工藝設(shè)備，存在成本過(guò)高，制件尺寸受限制，真空袋成型工藝由于具靈活簡(jiǎn)便高效等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)熱壓罐成型工藝原理研究，提出了幾種降低成本及改進(jìn)工藝性能的方案，先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)成型的產(chǎn)品，從材料開(kāi)發(fā)、工藝優(yōu)化、性能檢測(cè)到售后服務(wù)等環(huán)節(jié)，以低成本為主導(dǎo)線，詳細(xì)描述了一個(gè)熱壓罐共固化技術(shù)工程化的范例，達(dá)到了在熱壓罐成型方面明顯降低制造成本的目的。致 謝感謝我的指導(dǎo)老師肖聰利，本文是在肖老師的精心指導(dǎo)和科學(xué)點(diǎn)撥下完成的。肖老師豐富的科研經(jīng)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)