復(fù)合材料技術(shù)

1、航空預(yù)浸料 航空預(yù)浸料- 熱壓罐工藝復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用概況 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(wèn)世以來(lái)，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(lái)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(lái)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

2、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、起落架艙門(mén)；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

3、，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(lái)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(kāi)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)[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(lái)越趨向于整體化和大型化。復(fù)合材料在主

4、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?；诖?，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 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。第一階段的復(fù)合材料采用通用 T300 級(jí)碳纖維

5、和未增韌熱固性樹(shù)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)度體化制造工藝，將多個(gè)構(gòu)件一體化制造，以減少?gòu)?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

6、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(lái)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(lái)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

7、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(kāi)發(fā)了 ZXC195、ZXC190、ZXC185 等系列增強(qiáng)芯材。 該類(lèi)增強(qiáng)芯材主要通過(guò)改善整體結(jié)構(gòu)中 R 區(qū)材料的韌性，來(lái)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(méi)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 各主承力結(jié)構(gòu)成型工藝2.1 壁板類(lèi)成型工藝復(fù)合材

8、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(lèi)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(guò)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(guò)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)的出現(xiàn)，壁板類(lèi)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(lèi)。（1） 蒙皮與長(zhǎng)桁共固化。分別鋪疊蒙皮和長(zhǎng)桁；通過(guò)模具工裝將其組

9、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(guò)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(guò)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。分別固化蒙皮和長(zhǎng)桁；將長(zhǎng)桁進(jìn)行必要的加工；通過(guò)模具工裝將蒙皮與長(zhǎng)桁組裝，接觸面