復(fù)合材料先進(jìn)制造技術(shù)分析

1、復(fù)合材料先進(jìn)制造技術(shù)分析復(fù)合材料已成為與鈦合金、鋁合金、合金鋼并駕齊驅(qū)的四大航空結(jié)構(gòu)材料之一（在 B787 結(jié)構(gòu)上的用量達(dá)總重的 50%，A350XWB 結(jié)構(gòu)上的用量達(dá)總重的 52%1），其中應(yīng)用最為廣泛的仍然是玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等高性能纖維增強(qiáng)的先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱先進(jìn)復(fù)合材料）?；谙冗M(jìn)復(fù)合材料的反應(yīng)特性和滿足先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量的特定需求，在先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型過(guò)程中，需要加熱、加壓和抽真空等外在工藝條件。先進(jìn)復(fù)合材料特別突出的成型特點(diǎn)就是材料成型和構(gòu)件成型最終同時(shí)完成，這就決定了先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件的形位精度主要依靠模具工裝來(lái)保證，而且模具材料和模具結(jié)構(gòu)必須滿足

2、易于傳熱、傳壓和真空完整性好等要求，隨著市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量、性能、成本、周期等要求的不斷提高，促進(jìn)了先進(jìn)復(fù)合材料工藝技術(shù)及其模具和工裝技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展1。1模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在CAD技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，復(fù)合材料成型模具和工裝廣泛采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，許多常用的結(jié)構(gòu)采用模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)效率。復(fù)合材料模具與常規(guī)鈑金成型模具的不同之處在于：對(duì)累積公差的要求更加嚴(yán)格；模具與零件貼合面尺寸的差異取決于模具的類型和熱膨脹特性；復(fù)合材料零件的最后尺寸是基體最高固化溫度下的尺寸1。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)要考慮熱匹配問(wèn)題，鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)比大多數(shù)碳/石墨復(fù)合材料約大出一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)從固化峰值

3、溫度向下冷卻時(shí)，金屬模具的收縮會(huì)在構(gòu)件中引起嚴(yán)重的殘余應(yīng)變或固有應(yīng)變。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，如果不能通過(guò)尺寸修正，則需要使用熱膨脹系數(shù)較低的復(fù)合材料模具。對(duì)于簡(jiǎn)單的角度回彈問(wèn)題，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先把回彈角考慮進(jìn)去，即制件夾角加上回彈角等于模具的角度，使制件脫模回彈后符合工藝數(shù)模要求。對(duì)于復(fù)雜的制件，采用CAE技術(shù)模擬分析模具和工裝的結(jié)構(gòu)剛度、熱膨脹、溫度場(chǎng)分布等效果，為模具溫度補(bǔ)償和回彈修正設(shè)計(jì)提供依據(jù)2。1.1基于成型工藝條件的模具無(wú)論是先進(jìn)熱固性樹脂基復(fù)合材料，還是先進(jìn)熱塑性樹脂基復(fù)合材料，其成型過(guò)程都需要施加外界壓力的壓實(shí)過(guò)程，以排出構(gòu)件中的空氣、壓實(shí)空隙并實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)纖維的均勻分布。施加外界壓

4、力有幾種工藝方式：（1）構(gòu)件的一面為剛性模具，另一面為依賴氣體或液體傳壓的彈性模具（例如傳統(tǒng)熱壓罐工藝，見圖1）或依賴機(jī)械傳壓的剛性模具（例如傳統(tǒng)模壓工藝，見圖2），這是最常用的方式；（2）以熱脹材料為芯模，剛性材料為陰模，構(gòu)件置于芯模和陰模之間，這種方式用于 DC-10 飛機(jī)方向舵后上段和海豚直升機(jī)的水平尾翼；（3）以熱膨脹系數(shù)高的材料為芯模，熱膨脹系數(shù)低的材料為陰模，構(gòu)件置于熱膨脹系數(shù)差異比較大的芯模和陰模之間；（4）以剛性材料為芯模，熱收縮材料為包覆袋，構(gòu)件置于熱膨脹系數(shù)差異比較大的芯模和包覆袋之間。圖1 傳統(tǒng)熱壓罐工藝圖2 傳統(tǒng)模壓工藝示意圖不管是熱固性樹脂基復(fù)合材料固化，還是熱塑性樹

5、脂基復(fù)合材料熔化，都需要加熱以達(dá)到合適的成型溫度。復(fù)合材料構(gòu)件的成型模具應(yīng)當(dāng)滿足加熱構(gòu)件的升溫效率和構(gòu)件溫度場(chǎng)分布的均勻性，這種模具按加熱方式來(lái)劃分有幾種結(jié)構(gòu)形式：（1）以加熱的空氣或者惰性氣體為傳熱載體，對(duì)“蛋框式”模具加熱（以對(duì)流換熱方式為主，溫度較高時(shí)熱輻射占的份額也比較大），（2）把熱電阻和循環(huán)水管直接埋入成型模具中，傳熱方式以熱傳導(dǎo)為主3。降低先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件的空隙率，需要提供合適的真空度工藝條件。目前工程上提供真空的方式大致有：（1）用膩?zhàn)用芊夂玫囊淮涡允褂谜婵沾B接真空貯氣罐，貯氣罐與真空泵相連或者真空袋與真空泵直接相連；（2）用可多次重復(fù)使用的真空袋連接真空貯氣罐，貯氣罐與真空

6、泵相連或者真空袋與真空泵直接相連，如圖3所示。圖3 復(fù)合材料真空袋1.2 基于構(gòu)件成型質(zhì)量的模具在先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件的成型過(guò)程中，如果模具材料與復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，就會(huì)對(duì)構(gòu)件的成型質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。第一，成型過(guò)程要經(jīng)歷升溫、保溫和降溫階段，復(fù)合材料與模具熱膨脹系數(shù)不匹配會(huì)使構(gòu)件與模具接觸區(qū)域由于摩擦力而產(chǎn)生固化變形。第二，在降溫過(guò)程中模具比復(fù)合材料構(gòu)件收縮量大很多，帶有型面的構(gòu)件會(huì)在制造過(guò)程中產(chǎn)生損傷。第三，在升溫過(guò)程中，復(fù)合材料構(gòu)件尺寸隨著模具的熱膨脹而變化；在保溫過(guò)程中，復(fù)合材料構(gòu)件尺寸變化比較小；在降溫過(guò)程中，復(fù)合材料構(gòu)件尺寸隨著模具的熱收縮而變化；在整個(gè)熱歷程中，如果模具材料與復(fù)

7、合材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，復(fù)合材料構(gòu)件的尺寸偏差會(huì)比較大。因此，先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件（特別是大型、復(fù)雜構(gòu)件）成型模具應(yīng)盡可能選用熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料相近的材料，如殷鋼、碳泡沫、碳?xì)值?。1.3 模具結(jié)構(gòu)形式復(fù)合材料成型工藝方法較多，相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)形式多種多樣，先進(jìn)復(fù)合材料成型模具結(jié)構(gòu)形式主要分為如下幾類：（1）框架式模具為了增強(qiáng)模模具局部和整體剛度，提高模具型面加熱效率，減少模具變形，采用隔柵結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造模具骨架，框架式模具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由與制件直接接觸的型面及格柵結(jié)構(gòu)的支撐框格組成，且設(shè)有通風(fēng)口及均風(fēng)孔，同時(shí)型面形狀隨成型制件的形狀變化5。圖4為框架式模具實(shí)物照片。圖4 框架式模具（2）整體式模

8、具對(duì)較小尺寸的復(fù)材制件，或采用石墨等材料制造模具時(shí)，可采用整體式模具，便于機(jī)械加工。如整體石墨模具：具有熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高、熱容量低和尺寸穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)主要有升溫慢和易碎，通常需要表面涂層。（3）組合式模具組合模具通常采用金屬制造，主要用于壓機(jī)成型、模壓成型、樹脂傳遞模塑成型和注射模成型。組合模通常由上下兩個(gè)半模構(gòu)成，其加熱方式可以通過(guò)模具的上下壓盤傳導(dǎo)加熱，也可以通過(guò)附近的熱源給模具加熱，或內(nèi)置的模具加熱系統(tǒng)加熱。液態(tài)成型技術(shù)包括了樹脂轉(zhuǎn)移模塑(RTM)，及由RTM發(fā)展出來(lái)的真空輔助成型(VARTM)，樹脂模溶滲成型(RFI)等。RTM模具結(jié)構(gòu)通常分為三部分，一部分為型體，其余二部分為

9、兩個(gè)端蓋，對(duì)形狀復(fù)雜的或尺寸大的制品可將型體部分再分割組合，分型面分別做出凸舌與凹溝，并在兩個(gè)端蓋處設(shè)計(jì)注射口及排氣口，同時(shí)考慮樹脂分流道。如圖5。圖5組合式模具（4）自容式模具系統(tǒng)自容式模具系統(tǒng)，加熱和加壓是模具的一部分，熱源可以是電、熱油或蒸汽，能夠解決一些熱壓罐的不足之處，可以用來(lái)生產(chǎn)大于現(xiàn)有設(shè)備的零部件，且具有成本低、升壓速度快、溫度控制精確的優(yōu)點(diǎn)6。如圖6。圖6 自容式模具（5）彈性體模具彈性體模具系統(tǒng)，用于整體加強(qiáng)壁板的共固化制造中，可成型如方向舵、水平安定面、擾流板、副翼以及小型翼盒等盒形結(jié)構(gòu)。彈性體模具系統(tǒng)的一個(gè)變種是膨脹芯?；驓饽倚灸！Ｓ猛饷娴某錃庠唇o它們充氣使其膨脹，并將壓

10、力傳遞到層合板的表面。（6）易變形模具易變形模具是指這種模具在某一種物理狀態(tài)下保持一定模具形狀，在另一種物理狀態(tài)下變成另外的模具形狀。比較有代表性的易變形模具是形狀記憶高分子模具，這種模具通常由記憶成型構(gòu)件原始形狀的固定相和隨溫度變化能發(fā)生可逆軟化與硬化變化的可逆相組成。固定相的作用是記憶與回復(fù)成型構(gòu)件原始形狀，而可逆相的作用則是發(fā)生與固定形變，國(guó)外已有研究把形狀記憶高分子模具用于纏繞成型 S 形復(fù)合材料構(gòu)件7。（7）連續(xù)成型模具主要有拉擠成型模具和擠壓成型模具。拉擠加工過(guò)程是將浸有樹脂的纖維連續(xù)通過(guò)一定型面的加熱口模，擠出多余的樹脂，在牽引條件下進(jìn)行固化。連續(xù)擠壓是一種多工步過(guò)程，其成型模具

11、為組合式，多運(yùn)動(dòng)部件組成。首先多層熱塑性帶在模具中加熱并壓成層合板，而后將層合板壓入成型模具并加熱壓成所需截面的型材，最后將型材通過(guò)連續(xù)壓模壓成所需的彎曲形狀，這種方法可以成型彎曲甚至扭轉(zhuǎn)和變截面的型材零件，是一種新型的成型工藝。如圖7。圖7連續(xù)擠壓成型彎曲型材（8）易溶模具指采用在某種溶劑中易于溶解的材料運(yùn)用澆鑄法或模壓法制成空心或?qū)嵭牡哪＞摺?fù)合材料構(gòu)件依賴這種模具成型后，從開口處通入合適溫度的溶劑，使模具材料溶解進(jìn)而從構(gòu)件中流出，流出的溶體和砂子經(jīng)清理后可重復(fù)使用。比較有代表性的是用水做溶劑，即水溶性模具，國(guó)外已有把水溶性模具用于共固化成型復(fù)合材料副翼的研究。低溶鹽和石膏是常用的芯模材料

12、。另外，水溶性型芯材料也可由粘結(jié)劑和陶瓷填料組成，粘結(jié)劑為有機(jī)高分子材料，具有脫水固化、遇水溶解的可逆特性；陶瓷填料由氧化鋁和高嶺土組成，陶瓷料漿的固相體積分?jǐn)?shù)使粘結(jié)劑具有良好的水溶性和高的熱分解溫度8。如圖8。圖8易溶模具復(fù)合材料模具多采用碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料制成，模具的熱膨脹系數(shù)與成型構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)大致相匹配，很好的保證了產(chǎn)品尺寸和型面精度，且模具重量輕。缺點(diǎn)是模具的制造工藝復(fù)雜、表面密封性較差、表面硬度較低、與金屬模具相比使用壽命較短，且制造成本高。2工裝設(shè)計(jì)與制造技術(shù)復(fù)合材料制造工裝在航空航天制造中往往默默無(wú)聞，然而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量以及制造成本卻與其密切相關(guān)，因此實(shí)際上工裝扮

13、演了幕后英雄的角色。理想的復(fù)合材料制造工裝特點(diǎn)應(yīng)該是高精度、高剛度、便于使用，抗高壓、無(wú)滲漏，不損壞零件，尤其重要的兩點(diǎn)是工裝材料與零件材料的熱膨脹系數(shù)匹配以及成本低廉。通用的工裝材料主要有鋁、鋼、殷鋼、環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、雙馬樹脂基復(fù)合材料和石墨或碳纖維復(fù)合材料，其中殷鋼和復(fù)合材料本身因其較低的熱膨脹系數(shù)，非常適合航空航天結(jié)構(gòu)件制造，但其制造成本和固化能耗往往不夠理想。目前在航空航天復(fù)合材料制造領(lǐng)域，針對(duì)熱壓罐固化和非熱壓罐固化，國(guó)外發(fā)展出了多種新工裝材料和新工裝技術(shù)，以改進(jìn)工藝、減少時(shí)間、降低能耗、節(jié)約成本。2.1低成本金屬工裝殷鋼是Invariable Alloy的簡(jiǎn)稱，是鐵與鎳等稀有金

14、屬制成的含有33%左右鎳的一種合金，主要的特征是在加熱時(shí)膨脹系數(shù)很小，僅為2.20×10-6(/)，遠(yuǎn)低于已知的任何一種金屬的膨脹系數(shù)，只相當(dāng)于碳鋼膨脹系數(shù)的1/6，且經(jīng)適當(dāng)?shù)幕鼗?、壓延和旋展后，可均勻地保持近零的膨脹系?shù)。它從根本上克服了碳鋼受熱易變形的弱點(diǎn)。殷鋼主要有殷鋼36（含36%的鎳）或殷鋼42（含42%的鎳），是一種低碳奧氏體合金鋼，其熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料相匹配9，圖9為殷鋼制造工裝。圖9 殷鋼制造工裝殷鋼具備現(xiàn)有金屬和合金中最低的熱膨脹系數(shù)，是重要的工裝材料，而且持久性良好；不過(guò)，它很重很貴很難移動(dòng)，而且整體加熱和冷卻的周期非常長(zhǎng)。諾·格公司和美國(guó) ATK 公

15、司在 F-35 的制造中以及A350 和 787 的機(jī)翼與大部分機(jī)身制造都中使用了海岸復(fù)合材料公司提供的這種殷鋼，比如用于 F-35 機(jī)翼整體上蒙皮驗(yàn)證件制造的芯軸；龐巴迪公司 C 系列飛機(jī)的機(jī)翼工裝驗(yàn)證件，但造價(jià)昂貴。為此，飛機(jī)制造商和工裝供應(yīng)商除了研究更輕質(zhì)、更廉價(jià)的殷鋼工裝設(shè)計(jì)和制造工藝外，還在探索使用便宜的鋁等金屬以達(dá)到殷鋼的效果。2.2先進(jìn)復(fù)合材料工裝工裝重量影響鋪放和熱壓罐成形，由于重量等同于熱質(zhì)量，重的工裝在熱壓罐中需要更長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到固化溫度和冷卻，用復(fù)合材料來(lái)制造復(fù)合材料制造工裝就會(huì)減少重量和熱質(zhì)量，它們一般比同樣的殷鋼工裝輕 40%，因此在大型結(jié)構(gòu)件制造中受到越來(lái)越多的重視。波

16、音與 ATK、Alcore、Cytec、Hexcel、GrafTech、Odyssey 公司聯(lián)合為 787 機(jī)身 43 段這個(gè)最大的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件開發(fā)新型芯軸。該芯軸為輕質(zhì)碳泡沫/雙馬樹脂（BMI）芯軸，比傳統(tǒng)殷鋼設(shè)計(jì)要輕 57t，降低了起重機(jī)、操作設(shè)備和鋪絲機(jī)的能力要求。美國(guó)國(guó)防部制造技術(shù)項(xiàng)目（ManTech）也在研究經(jīng)濟(jì)可承受的 F-35 復(fù)合材料工裝。復(fù)合材料供應(yīng)商憑借其技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)于各種新型復(fù)合材料工裝進(jìn)行了大量的嘗試，而納米技術(shù)也逐漸進(jìn)入了這個(gè)領(lǐng)域，如圖11為F-35的復(fù)合材料工裝10。圖10 F-35的復(fù)合材料工裝美國(guó) Airtech 公司與德國(guó) Henkel 公司聯(lián)合開發(fā)了一種新的

17、復(fù)合材料工裝材料，基于苯并惡嗪（Benzoxazine）的預(yù)浸料，以代替高溫雙馬樹脂。苯并惡嗪預(yù)浸料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為 251，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)的 177固化的環(huán)氧樹脂加上雙馬樹脂的絕大部分高溫性能。在同樣的溫度固化時(shí)，與用雙馬樹脂相比，預(yù)浸料工裝更容易裝袋，無(wú)需雙馬樹脂材料那么多的操作。它在還具有固化時(shí)的低收縮性和良好的加工質(zhì)量。最重要的是，它在室溫下有6個(gè)月的壽命，而絕大多數(shù) BMI 材料只有 4 周。由于可以空運(yùn)到世界各地而無(wú)需干冰，運(yùn)輸成本非常低，其長(zhǎng)壽命增加了生產(chǎn)計(jì)劃的柔性，因?yàn)闊o(wú)需趕工以盡快完成工裝制造。對(duì)其抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)表明，175高溫時(shí)效 10000 小時(shí)，還能保持 90% 的抗剪強(qiáng)度

18、。2.3高效自加熱工裝加熱均勻性和加熱速度是影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件質(zhì)量和成本的一個(gè)重要因素，自加熱、少加熱以及熱管理，作為提高復(fù)合材料工裝制造效率的方法受到了越來(lái)越多青睞。閉式壓模的發(fā)明者法國(guó) Compose 公司為法國(guó)Latecoere 集團(tuán)制造的復(fù)合材料飛機(jī)客艙門整體件開發(fā)了一種自主式自加熱 RTM 工裝，如圖11所示。這種多件套工裝由殷鋼、鋼和鋁組成，可以接受復(fù)雜、三維縫合的碳纖維預(yù)型件，美國(guó) Prospect 模具公司為該工裝供應(yīng)了多件套 RTM 模具，這些高度組合的結(jié)構(gòu)擁有復(fù)雜的外形尺寸。美國(guó)威斯特敏特解決方案公司為使用循環(huán)水的 RTM 模塑過(guò)程開發(fā)了一個(gè)熱管理系統(tǒng)，這可以使得工藝周期縮

19、減 35%，尤其是在大批量時(shí)，全面減少系統(tǒng)性成本。圖11 Compose公司自主式自加熱RTM工裝美國(guó)試金石實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種電加熱工裝（EHT），一 種 用 于 OOA 工 藝 的 自 加 熱 泡 沫（CFOAM）。CFOAM 產(chǎn)自粉末瀝青煤，經(jīng)由壓入敞口模，在高溫下處理并在熱壓罐中加壓，泡沫板粘結(jié)在一起形成近無(wú)余量薄坯板料，加工成想要的外形。工裝表面由 HexTOOL材料這樣的復(fù)合材料成形。EHT 工裝擁有不變的橫截面以及工裝表面之下的電阻加熱泡沫加熱元件。石墨電極與元件相連以提供電力，元件本身與工裝剩余部分電絕緣。這樣，電阻加熱就只發(fā)生在工裝表面之下，使其更節(jié)能，而且里面的泡沫基體由于與表

20、面隔熱，也不會(huì)被加熱，減少了熱損耗。由于 CFOAM 工裝是由粘結(jié)在一起的板材制成，需要填有銀的導(dǎo)電粘合劑來(lái)補(bǔ)償加熱元件以確保其有一致的電流，加熱元件通過(guò)熱障層隔熱，比如膠膜、彈性橡膠、水晶纖維或者它們的組合。工裝表面使用的碳纖維比碳泡沫導(dǎo)電性強(qiáng)，如果纖維和泡沫接觸，短路將造成不均勻加熱，通過(guò)加熱元件的電絕緣，可以實(shí)現(xiàn)工裝表面的一致性加熱。試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論對(duì)于平滑的還是復(fù)雜的工裝外形，該工裝的機(jī)械屬性都與標(biāo)準(zhǔn)的熱壓罐固化工裝相當(dāng)。圖12所示為美軍RQ-7B“陰影”200 無(wú)人機(jī)機(jī)翼蒙皮制造 EHT 工裝11。圖12無(wú)人機(jī)機(jī)翼蒙皮制造 EHT 工裝法國(guó) Techni Modul 工程公司開發(fā)了一種用于高速生產(chǎn)的自加熱工裝，它是一種薄蒙皮、可自加熱和自冷卻的工裝，能夠用于熱壓罐和 OOA 固化。工裝蒙皮可以由金屬或復(fù)合材料制成，流體循環(huán)系統(tǒng)可以使用油、水或者金屬基流體，最大的流體溫度為 400。自加熱工裝一般來(lái)說(shuō)是厚且重的，而該工裝非常薄，這樣加熱就很迅速，節(jié)約能源。熱壓罐工裝一般每分鐘溫度上升 3-4，而自加熱工裝的加熱速度為每分鐘 20-30。在減重方面，與公司制造的某殷鋼工裝相比，后者重達(dá) 22t，而前者僅重 5t，使其更加高效。公司還在探索使用厚的三維縫合預(yù)型體與一種日本產(chǎn)的薄膜相結(jié)合的 RTM 工裝概念。英國(guó) Surfa