復(fù)合材料技術(shù)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上航空預(yù)浸料- 熱壓罐工藝復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用概況發(fā)布時(shí)間：2011-11-23 15:34:27      先進(jìn)復(fù)合材料自問世以來，由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)勢(shì)，一直在航空材料領(lǐng)域得到重視。隨著近幾十年來的發(fā)展，尤其是最近10年在大型飛機(jī)上井噴式的應(yīng)用，先進(jìn)復(fù)材料已經(jīng)證明了其在未來航空領(lǐng)域的重要地位，它在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位也已經(jīng)成為衡量飛結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一1 如目前代表世界最先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的美國(guó)F-22 和F-35，其復(fù)合材料占機(jī)結(jié)構(gòu)重量達(dá)到了26%（F-22 機(jī)身、機(jī)翼、襟翼、垂尾、副翼、口蓋、起落架艙

2、門；F-35 機(jī)身翼進(jìn)氣道、操縱面、副翼、垂尾），歐洲EF-2000 戰(zhàn)機(jī)更是達(dá)到了35%40%（機(jī)翼、垂尾、方向舵2 ；民機(jī)領(lǐng)域的兩大巨頭波音和空客，在其最新型的大型客機(jī)波音787、A350XWB 機(jī)型中，大幅使用復(fù)合材料，分別達(dá)到50% 和52%3,在機(jī)身主承力結(jié)構(gòu)中，除一些特殊需要外，基本上實(shí)現(xiàn)了全復(fù)合材料化。    從當(dāng)前的復(fù)合材料應(yīng)用來看，航空復(fù)合材料具備以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：在材料方面，飛主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用高韌性復(fù)合材料；在工藝方面，呈現(xiàn)出以預(yù)浸料- 熱壓罐工藝為主，積極開發(fā)液體成型工藝及其他低成本成型工藝的態(tài)勢(shì)，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的制造綜合考慮性能/ 成本因機(jī)

3、4 設(shè)計(jì)理念的廣泛認(rèn)知，復(fù)合材料已逐漸在主承力結(jié)構(gòu)上站穩(wěn)了腳跟，而且，為了進(jìn)一步將復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越趨向于整體化和大型化。復(fù)合材料在主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用技術(shù)是體現(xiàn)航空復(fù)合材料水平及應(yīng)用程度的重要標(biāo)志。目前復(fù)合材料主承力構(gòu)件仍是以預(yù)浸料- 熱壓罐工藝為主。基于此，本文旨在介紹目前與航空預(yù)浸料- 熱壓罐工藝相關(guān)的復(fù)合材料技術(shù)。主承力結(jié)構(gòu)用預(yù)浸料1 高性能復(fù)合材料體系   “計(jì)是主導(dǎo)，材料是基礎(chǔ)，工藝是關(guān)鍵”5復(fù)合材料的制造技術(shù)與材料的發(fā)展息息相關(guān)。航空預(yù)浸料-熱壓罐工藝高性能復(fù)合材料到目前已經(jīng)歷了3個(gè)階段。    &

4、#160;    第一階段的復(fù)合材料采用通用T300 級(jí)碳纖維和未增韌熱固性樹脂，具有明顯的脆性材料特征，主要用于飛機(jī)承力較小的結(jié)構(gòu)件。第二善，應(yīng)用范圍擴(kuò)大到垂尾、方向舵和平尾等部件。第三階段的復(fù)合材料為高韌性復(fù)合材料，其應(yīng)用擴(kuò)大到機(jī)材料應(yīng)用于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)，波音公司首先提出了高韌性復(fù)合材料預(yù)浸料標(biāo)準(zhǔn)BMS8-276，概述了主承力結(jié)構(gòu)復(fù)合材料性能目標(biāo)，并提出采用沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI）作為合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。據(jù)此波性能，要求碳纖維拉伸彈性模量提高30%、拉伸強(qiáng)度提高50%，同時(shí)，開發(fā)高抗分層能力的韌性樹脂基體，以將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用應(yīng)變提高到

5、0.6%0.8%。1985 年NASA 發(fā)布RP1142 碳纖維/ 熱固性韌性樹脂復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。1989 年中模/ 高強(qiáng)碳T800 達(dá)到波音公司碳纖維材料標(biāo)準(zhǔn)BMS9-17 要求，并與同期研發(fā)的180固化高韌性環(huán)氧樹脂成的復(fù)合材料( 如T800H/3900-2)達(dá)到波音公司材料標(biāo)準(zhǔn)BMS8-276要求6 國(guó)外部分飛機(jī)主要復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材見表1。國(guó)內(nèi)復(fù)合材料體系的發(fā)展也同樣經(jīng)歷相應(yīng)的階段，目前已在韌性復(fù)材取得一定的成果。國(guó)內(nèi)外部分復(fù)合材料性能如表2、表3 所示。   2 預(yù)浸料工藝性   隨著預(yù)浸料-罐工藝在航空主承力復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

6、，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸趨于大型化和整體化，其目的是為了更好地發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)、降低成本和減輕重量。但由此也帶來了相關(guān)構(gòu)件制造上的困難。如過去熱固性預(yù)浸料的固化過程需要吸膠，在預(yù)浸料升到一定溫度并保持一段時(shí)間后才能對(duì)其施加壓力，以保證制件的質(zhì)量。隨著復(fù)合材料構(gòu)件大型化和整體化程度的不斷提升，其在熱壓罐內(nèi)固化過程中的溫度場(chǎng)分布也變得越來越不均勻，如還采用傳統(tǒng)的保溫再加壓的固工藝，則難以保證預(yù)浸料加壓帶的要求，從而導(dǎo)致制件制造質(zhì)量的下降和固化成型時(shí)間的增加。   為解決這一問題，需要改善預(yù)浸料本身的工藝特征，以適應(yīng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)變化所帶來的新需求。為此，國(guó)內(nèi)外通過大量的研究，均已開發(fā)出多

7、種可實(shí)現(xiàn)“零吸膠”、“常溫加壓”工藝的預(yù)浸料，從而保證了熱壓罐工藝復(fù)合材料制件的質(zhì)量一致性，并減少了進(jìn)罐時(shí)間。國(guó)內(nèi)開發(fā)的環(huán)氧樹脂預(yù)浸料碳 /BA9918 預(yù)浸料、碳 /BA9916-II 預(yù)浸料、CCF300/BA9916-II 預(yù)浸料和雙馬樹脂預(yù)浸料CCF300/QY9511、碳 /QY9611，都可做到“零吸膠”、“常溫加壓”，部分預(yù)浸料已用于多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)。航空復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)的預(yù)浸料- 熱壓罐成型工藝1 整體化成型工藝   著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展，考慮進(jìn)一步減重和降低成本，航空復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)件已越來越傾向于使用整體化制造工藝，將多個(gè)構(gòu)件一體化制造，以減少

8、復(fù)合材料之間的裝配連接。目前，預(yù)浸料- 熱壓罐工藝的整體化制造技術(shù)可分為共固化、共膠接和二次膠接3 種方案。每種均有各自的特點(diǎn)，因此需根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)和工藝要求來選擇相應(yīng)的整體化制造技術(shù)。在整體化制造中，各構(gòu)件之間連最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗钦麄€(gè)結(jié)構(gòu)最為薄弱的環(huán)節(jié)。如盒段整體結(jié)構(gòu)中，相比，其弱點(diǎn)是承受面外載荷的能力較差，因此需要使用一些手段對(duì)該位置面外拉伸方向的性能進(jìn)行加強(qiáng)。從目前的研究來看，Z-PIN、縫合技術(shù)雖然能改善面外拉伸性能，但其對(duì)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)力學(xué)性能有一定的影響。針對(duì)整體化結(jié)構(gòu)R 區(qū)的面外承載能力弱的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)有關(guān)研究在這方面獨(dú)辟蹊徑，從提高材料性能的角度，開發(fā)了ZXC195、ZXC

9、190、ZXC185 等系列增強(qiáng)芯材。該類增強(qiáng)芯材主要通過改善整體結(jié)構(gòu)中R 區(qū)材料的韌性，來提高整體結(jié)構(gòu)接頭的面外承載能力，因此對(duì)于該區(qū)域結(jié)構(gòu)的面內(nèi)性能沒有任何影響。目前，部分增強(qiáng)芯材已完成了相關(guān)整體化結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果10 。2 各主承力結(jié)構(gòu)成型工藝 2.1 壁板類成型工藝   復(fù)合材料壁板主要用于飛機(jī)尾翼、機(jī)翼和非筒體成型的機(jī)身。該類結(jié)構(gòu)主要由蒙皮和長(zhǎng)桁組成。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷過等代設(shè)計(jì)，早期復(fù)合材料制造的壁板通常是由各自成形好的蒙皮和長(zhǎng)桁通過機(jī)械連接組裝而成。這樣的方式增加了結(jié)構(gòu)的自重，不能很好地發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)。隨著復(fù)合材料整體化制造技術(shù)

10、的出現(xiàn)，壁板類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也逐漸擺脫了機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)了一體化制造。其制造工藝方案主要有以下幾類。（1） 蒙皮與長(zhǎng)桁共固化。   分別鋪疊蒙皮和長(zhǎng)桁；通過模具工裝將其組合在一起，接觸面鋪膠膜（或不鋪膠膜）；之后整體進(jìn)熱壓罐完成共固化。（2） 蒙皮先固化，再與長(zhǎng)桁共膠接。   先蒙皮固化；鋪疊長(zhǎng)桁，通過模具工裝將其固定在已固化好的蒙皮上，接觸面鋪膠膜，之后進(jìn)罐完成共膠接。（3） 長(zhǎng)桁先固化，再與蒙皮共膠接。   先固化長(zhǎng)桁，并進(jìn)行必要的機(jī)加；鋪疊蒙皮，通過模具工裝將固化的長(zhǎng)桁與其組裝，接觸面鋪膜，之后進(jìn)熱壓罐完成共膠接。（4） 二次膠接。

11、   分別固化蒙皮和長(zhǎng)桁；將長(zhǎng)桁進(jìn)行必要的加工；通過模具工裝將蒙皮與長(zhǎng)桁組裝，接觸面鋪膠膜，之后進(jìn)熱壓罐完成二次膠接。（5） 混合工藝。     該工藝主要用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壁板結(jié)構(gòu)。其制造工藝根據(jù)蒙皮和加筋的先后固化順序分為多種工藝方案，統(tǒng)稱為混合工藝。圖1 為采用混合工藝成型的國(guó)內(nèi)某縱橫向加筋機(jī)身壁板。       以上的壁板類制造工藝方案各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際的工藝方案制定時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮具體的情況和相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)，來選用不同的成型工藝。2.2 大長(zhǎng)細(xì)比長(zhǎng)桁和C

12、形梁成型工藝    在飛行器復(fù)合材料構(gòu)件中，有一類大長(zhǎng)細(xì)比的結(jié)構(gòu)件，如機(jī)翼長(zhǎng)桁、機(jī)翼C 形梁、機(jī)身長(zhǎng)桁、機(jī)身地板梁等。這類構(gòu)件結(jié)構(gòu)雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但卻無法使用自動(dòng)鋪帶設(shè)備直接鋪疊出毛坯，如果用手工鋪疊卻又不能在成本和周期上滿足批量生產(chǎn)的要求?；谶@類構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征，國(guó)內(nèi)外工藝研發(fā)人員相繼開發(fā)出了基于自動(dòng)鋪帶技術(shù)的適用于大長(zhǎng)細(xì)比構(gòu)件的   毛坯制備工藝。（1）隔膜成型。    隔膜成型工藝是在歐洲推出的ALCAS 計(jì)劃中，開發(fā)的一種用于加工飛機(jī)前梁的一種典型成型工藝方法。隔膜成型原是一種為熱塑性復(fù)合材料開發(fā)的成型工藝，

13、后發(fā)現(xiàn)用于熱固性復(fù)合材料具有很廣泛的用途。它具有成型過程中纖維不易滑動(dòng)、不易產(chǎn)生皺褶的特殊功效，非常適于加工大型飛機(jī)機(jī)翼前梁的C 形截面11在近年推出的 A400M 飛機(jī)的 C 形前梁的毛坯制備采用了這種工藝方法。    需要指出的是，該工藝方法并非針對(duì)所有的預(yù)浸料都適用，相應(yīng)的樹脂應(yīng)具有一定的流動(dòng)性。有資料表明，空客A350XWB 在選材中由于堅(jiān)持選用三代增韌的M21E/IMA 預(yù)浸料，其所用樹脂是用熱塑性樹脂韌化的，缺乏流動(dòng)性，用隔膜成型較困難，因此只好用自動(dòng)鋪絲技術(shù)來完成12 。（2）疊層滑移工藝。 疊層滑移工藝是國(guó)內(nèi)研發(fā)的專用于大長(zhǎng)細(xì)比構(gòu)件的毛坯

14、制備工藝。該工藝首先將構(gòu)件的復(fù)合材料模型進(jìn)行平面展開，并可用自動(dòng)鋪帶機(jī)鋪疊展開后的平面毛坯。將平面毛坯放入專用裝置并進(jìn)行加熱軟化，利用壓力使其貼于相應(yīng)的模具表面，形成最終的制件毛坯13 。  基于這種工藝，國(guó)內(nèi)已研制出了10m“C”形梁以及10m“工”形、“J”形、“T”形長(zhǎng)桁，且構(gòu)件的質(zhì)量完全滿足要求。2.3 盒段整體結(jié)構(gòu) 在現(xiàn)行的飛機(jī)翼面類復(fù)合材料整體化結(jié)構(gòu)中，有多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，較為經(jīng)典的如上、下蒙皮與骨架一體成型的整體盒段，下蒙皮與骨架一體成型并與上蒙皮機(jī)械連接的整體盒段等。針對(duì)這些不同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式，需要開發(fā)相應(yīng)的制造工藝方案。幾種典型的成型工藝方案

15、如下：（1） 基于“”形接頭的盒段結(jié)構(gòu)成型工藝。這一類結(jié)構(gòu)方案主要用于飛機(jī)平尾、垂尾。其成型路線是先成型上、下“”形加筋壁板和腹板，然后將腹板與上、下“”形加筋壁板合攏膠接，組成盒段整體結(jié)構(gòu)。目前該種結(jié)構(gòu)和型工藝已在我國(guó)某機(jī)型的垂直安定面上得到應(yīng)用，圖2 為國(guó)內(nèi)研制的“”形接頭盒段結(jié)構(gòu)。  （2） 基于T 形接頭的骨架與上、下蒙皮一體成型工藝。該類結(jié)構(gòu)先鋪疊（或固化）上、下蒙皮，通過模具工裝將未固化的骨架與上、下蒙皮毛坯（上、下蒙皮）組裝在一起，接觸部位填充膠膜，再（或上、下蒙皮）與骨架和膠膜的共固化（或共膠接）。通常這類結(jié)構(gòu)適用于飛機(jī)平尾、垂尾部分，如目前波音787 的平

16、尾即采用了這類成型工藝。如圖3 所示為國(guó)內(nèi)采用骨架與上下蒙皮一體成型工藝研制的盒段件。 （3） 基于T 形接頭的骨架與下蒙皮一體成型工藝。 該類結(jié)構(gòu)先鋪疊（或固化）下蒙皮，通過模具工裝將未固化骨架與下蒙皮毛坯（或下蒙皮）組裝，接觸面化（或共膠接）；固化上蒙皮；上蒙皮再與骨架/ 蒙皮一體成型下壁板進(jìn)行機(jī)械連接。該類結(jié)構(gòu)主要用于戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)，目前有多種飛機(jī)機(jī)翼采用了該類結(jié)構(gòu)，如歐洲EF2000 機(jī)翼、日本F2 機(jī)翼。國(guó)內(nèi)對(duì)于該類結(jié)構(gòu)的成型工藝已完成了相關(guān)的工程驗(yàn)證，并得到應(yīng)用。2.4 機(jī)身筒體成型工藝 目前使用復(fù)合材料制造機(jī)身的結(jié)構(gòu)方案有兩類，一類是將機(jī)身的

17、每段筒體分為四塊壁板分別成型后，再用機(jī)械連接方式對(duì)接，空客A350XWB 即為這種工藝方案；另一類則是將機(jī)身每段筒體整體成型，其代表機(jī)型是波音787。  波音 787 的機(jī)身是用直徑5.8m 的成型模胎成型，模胎安裝在一旋轉(zhuǎn)夾具上面沿長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，用纖維鋪放頭進(jìn)行纖維鋪放，先鋪長(zhǎng)桁然后鋪皮。結(jié)果可形成外表光滑的變厚度的殼體以及共固化的桁條組成的機(jī)身段（如圖4），經(jīng)過熱壓罐固化后，取下模胎，這一工藝可以代替由上百塊蒙皮壁板、加強(qiáng)筋及長(zhǎng)桁、上千個(gè)緊固件組成機(jī)身的工藝。 復(fù)合材料數(shù)字化/ 自動(dòng)化制造技術(shù)1 自動(dòng)鋪帶/ 鋪絲技術(shù)  一直以來，預(yù)浸料- 熱壓罐工藝都屬

18、于先進(jìn)復(fù)合材料制造工藝中成本較高的成型方式，其中在復(fù)合材料毛坯的制造過程中，預(yù)浸料的裁減和鋪疊是人工成本和人工時(shí)間消耗最大的一個(gè)環(huán)節(jié)，在國(guó)外人工成本高昂的問題尤其突出。特別是在制件批量生產(chǎn)的前提下，不改變這種局面，制件的制造成本無法降低到市場(chǎng)能夠接納的程度?；诖嗽?，以及考慮到大尺寸構(gòu)件制造的質(zhì)量性，自動(dòng)鋪帶/ 鋪絲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生14 。（1）自動(dòng)鋪帶技術(shù)。  自動(dòng)鋪帶機(jī)根據(jù)鋪放制件的幾何特征可分為平面鋪帶和曲面鋪帶兩類。隨著自動(dòng)鋪帶設(shè)備、程、計(jì)算機(jī)軟件、鋪帶技術(shù)以及材料的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)鋪帶的效率變得更高，性能更可靠，操作性更友好。與手工相比，先進(jìn)鋪帶技術(shù)可降低制造成本的30%50

19、，可成型超大尺寸和形狀復(fù)雜的復(fù)合材料制件，且質(zhì)量穩(wěn)定，縮短了鋪層及裝配時(shí)間，工件近凈成型，切削加工及原材料耗費(fèi)減少。  目前，所有波音787 翼面及翼盒構(gòu)件均采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造，A400M 機(jī)翼后梁的平板毛坯也同樣采用了自動(dòng)鋪帶技術(shù)。著近年來國(guó)內(nèi)復(fù)合材料井噴式的發(fā)展與應(yīng)用，自動(dòng)鋪帶技術(shù)也同樣得到了發(fā)展，并取得了一定的應(yīng)用成果。如北京航空制造工程研究所成功研制了6m×20m 大型自動(dòng)鋪帶機(jī)，并已在新型飛機(jī)的復(fù)合材料構(gòu)件研制中得到應(yīng)用（如圖5）。 （2）自動(dòng)鋪絲技術(shù)。  與自動(dòng)鋪帶相比，自動(dòng)鋪絲束技術(shù)可以成型更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，材料消耗率低。目前自動(dòng)鋪絲技術(shù)的代表是美國(guó)辛辛那提機(jī)床公司Viper 纖維鋪放機(jī)系統(tǒng)。Viper 纖維鋪放系統(tǒng)將纏繞、特型鋪帶及計(jì)算機(jī)控制結(jié)合起來，自動(dòng)生產(chǎn)需要大量手工鋪層的復(fù)雜零件，從而縮短鋪層及裝配時(shí)間，其鋪疊生成的工件近凈成型，切削加工及原材料耗費(fèi)比自動(dòng)鋪帶技術(shù)更少。料制件制造上已成功地大面積使用，其對(duì)復(fù)合材料的重要性相當(dāng)于銑床對(duì)金屬材料結(jié)構(gòu)的重要性。如美國(guó)的波音