材料成型工藝的選擇原則及案例

1、材料成型工藝的選擇原那么及案例一、設(shè)計選材的一般原那么是：(1)設(shè)計選材應以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求、低本錢為基本點；(2)應滿足使用環(huán)境要求并具有良好的韌性和耐沖擊、耐濕熱、耐浸蝕、耐老化性；(3)應滿足電磁性能、阻燃、燃燒煙霧毒性等特殊性能要求；(4)應具有良好的工藝性、機械加工性、可修補性；(5)應具有與不同材料良好的匹配性；(6)應具有良好的環(huán)境相容性；(7)優(yōu)先選用已有使用經(jīng)驗的材料；(8)材料品種不宜多,供貨渠道穩(wěn)定可靠,盡可能立足國內(nèi)。在設(shè)計選材時,主要考慮的性能包括以下幾個方面。(1)首先考慮復合材料的使用溫度,根據(jù)結(jié)構(gòu)最高工作溫度來初 步選定樹脂基體類型。環(huán)氧樹脂一般工作使用溫度為8

2、0 120 C , 雙馬樹脂一般工作使用溫度為130 180 Co(2)著重考慮反映缺陷/損傷和環(huán)境影響因素的性能。如沖后壓 縮強度(CAI)、開口拉伸強度、濕熱環(huán)境條件下性能保持率等。(3)著重考慮與固化工藝有關(guān)的參數(shù)。如固化溫度、時間、壓力, 后處理溫度和時間,對輔助材料的要求等。(4)考慮與特殊性能要求相關(guān)的性能,如滿足電磁性能、阻燃等特殊要求。(5)采用RTM和RFI工藝成形時，要選擇專用的樹脂體系。設(shè)計 選材需要綜合考慮選材原那么和性能要求。二、樹脂的選擇在復合材料中,樹脂基體的作用是：(1)支撐增強材料，通過界面剪切應力形式將外載荷傳遞給增強 材料；(2)保護增強材料，以兔受環(huán)境侵

3、蝕；(3)復合材料的橫向性能、壓縮性能、剪切性能、韌性等性能主 要取決于樹脂基體；(4)復合材料的工作溫度、耐濕/熱性能、耐老化性能取決于樹脂 基體；(5)直接影響復合材料制件成形工藝，如黏性、鋪疊性、凝膠時 間、預浸料儲存穩(wěn)定性、固化溫度、固化壓力、固化時間等。在選擇 樹脂時,應根據(jù)樹脂基體的上述作用綜合考慮其性能。三、纖維的選擇增強纖維是復合材料中主要的組分材料，結(jié)構(gòu)承載所需力學能力 基本上由增強纖維提供。選擇增強纖維時主要考慮的是纖維的拉伸模 量、拉伸強度和密度，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計所要求的比強度和比剛度大小就 基本上決定了所選擇的纖維種類。飛機結(jié)構(gòu)上常用的增強纖維有碳纖 維、芳綸、玻璃纖維、硼

4、纖維等，其中碳纖維由于性價比擬高而應用 最廣，硼纖維因纖維直徑太粗又剛硬，以致成形加工性不好，加上價 格貴昂，因而應用十分有限。四、復合材料選材分析實例F- 22先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機是21世紀初美國空軍的主力機種。F-22 設(shè)計時的復合材料選材分析說明了復合材料在第四代戰(zhàn)斗機上的重 要地位及其應用部位。(1)選用復合材料的考慮a.由于增加非常規(guī)機動性能帶來的減重要求。要求在失速條件下 仍能作可控機動飛行的能力，使得F-22采用最正確氣動控制舵面和推 矢量噴管新技術(shù)，從而使飛機增加重量10%左右。解決增重最有效的 技術(shù)途徑是采用比傳統(tǒng)材料輕17%19%的輕質(zhì)高強復合材料。b.由于隱身要求而引出的對吸波

5、材料、平滑圓角過渡大型連續(xù)的 整體結(jié)構(gòu)成形工藝的要求。c.低本錢要求。采用復合材料技術(shù)具有較大降低本錢的空間。d. F-22樹脂基復合材料的用量由原計劃40%降至25% ,主要原因 是機翼上的三根復合材料翼梁在打靶試驗時抗30mm徑機炮的彈傷能 力差,從而改為鈦合金主翼梁與復合材料中間梁的混合式結(jié)構(gòu)。(2)復合材料構(gòu)件的選材與分布F-22上復合材料不僅用于蒙皮而且用做平尾水平樞軸及翼梁。 幾乎所有的蒙皮均采用雙馬來酰亞胺碳纖維復合材料制造。飛機結(jié)構(gòu) 的最高工作溫度為147 C,環(huán)氧的工作溫度為118*C,而改良的雙馬 來酰亞胺工作溫度為149177。C,韌性好，并具有良好的加工性。故雙馬來酰亞

6、胺碳纖維復合材料IM7/5250-4用于蒙皮、肋、梁等結(jié)構(gòu)。溫度較低的進氣道壁板蒙皮采用增韌環(huán)氧樹脂復合材料IM7/977-3等;艙門、口蓋等易碰撞處采用熱塑性復合材料;油箱材料 選用空心S-2玻璃纖維復合材料，它具有較好的抗彈擊能力、防火性 能和耐環(huán)境性，而且重量比-般的玻璃纖維輕15%20%o機翼正弦 波梁、前機身框架、駕駛艙地板加強件等結(jié)構(gòu)采用了預成形體/RTM 工藝成形法制造，蒙皮、平尾水平樞軸等結(jié)構(gòu)采用了纖維鋪放工藝制 造。五、模具的選擇模具是復合材料成形的關(guān)鍵技術(shù)之一。碳纖維樹脂基復合材料常 用的模具有金屬模具、復合材料模具、木模、橡膠模具等，但應用最 廣泛的是金屬模具。碳纖維樹脂

7、基復合材料成形模具的設(shè)計一般遵循以下原那么。(1)要脫模方便。盡可能采用凸模設(shè)計方案，以便鋪疊和脫模;脫 模過程中對制件不能產(chǎn)生損傷;復雜形狀產(chǎn)品應設(shè)計成易拼裝拆卸的 組合模。(2)滿足結(jié)構(gòu)件設(shè)計的精度。模具尺寸精確，外表光滑、平整、 密實、無裂縫、無針眼。(3)有足夠的強度和剛度。(4)有足夠的熱穩(wěn)定性,防止加熱時變形,影響產(chǎn)品質(zhì)量。(5)模具熱容量小，以便在熱:壓罐里能均勻升溫。(6)由于熱膨脹的影響，不能將金屬陰模制成連續(xù)封閉的整體，以免在降溫時復合材料在密封的整體模腔內(nèi)承受巨大的壓應力，導致 制件損壞。(7)重量輕，方便搬運。模具加工本錢低。六、成形工藝的選擇成形工藝的選擇原那么包括以下幾個方面。(1 )滿足制件的形狀和尺寸。所選工藝既要滿足構(gòu)件的形狀尺寸 要求，也要滿足結(jié)構(gòu)裝配精度要求。(2)滿足制件的性能要求。性能要求高的制件，一般采用熱:壓罐 成形