1、復(fù)合材料熱壓罐共固化的低成本工程以熱壓罐成型技術(shù)為主制造的航空先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在各類飛機制造上都不同程度進入 了批量生產(chǎn)階段，有的型號已生產(chǎn)了數(shù)百架份的先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，并經(jīng)過了十多年的使 用考核，為進一步擴大先進復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用提供了實用的工程經(jīng)驗。但我們必須清 醒看到，先進復(fù)合材料的制造成本居高不下、批產(chǎn)中質(zhì)量的不一致性、對先進復(fù)合材料特性 缺乏足夠的認識等仍然是阻礙先進復(fù)合材料在飛機上擴大應(yīng)用的主要因素，這也是我國航空 先進復(fù)合材料與先進國家航空復(fù)合材料應(yīng)用差距巨大的問題所在。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，如選用工藝特性優(yōu)良的樹脂體系、國產(chǎn)輔助

2、材 料的采用、成型模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及過程細節(jié)的嚴格控制等，都可以在降低制造成本的同時， 明顯的提高制件的合格率。本課題針對先進復(fù)合材料共固化技術(shù)成型的產(chǎn)品，從材料開發(fā)、 工藝優(yōu)化、性能檢測到售后服務(wù)等環(huán)節(jié)，以低成本為主導(dǎo)線，詳細描述了一個熱壓罐共固化 技術(shù)工程化的范例，達到了在熱壓罐成型方面明顯降低制造成本的目的。技術(shù)難點復(fù)合材料共固化技術(shù)要進入工程化，必須從材料、工藝、檢測和售后等環(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，達到整個工程的低成本化、技術(shù)完整化。先進復(fù)合材料共固化技術(shù)工程化要實現(xiàn)低制造成

3、本必須攻克的技術(shù)難點主要有：（1）低成本的原材料貨源和多品種預(yù)浸料的開發(fā)與儲備；（2）共固化技術(shù)所需輔助材料的國產(chǎn)化研究；（3）共固化成型工藝的優(yōu)化；（4）產(chǎn)品性能檢測項目的合理性以及產(chǎn)品質(zhì)量的保證；（5）先進復(fù)合材料制品缺陷修復(fù)手段和修復(fù)后的性能表征。技術(shù)方案1、多品種預(yù)浸料的開發(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輸、保管等因素的影響，使 得預(yù)浸料的工藝性能出現(xiàn)較大的差異，從而影響先進復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量。此外，先進復(fù)合 材料件在固化過程中出現(xiàn)的某些局部缺陷，由于很難找到一種與之性能相當(dāng)?shù)臉渲w系對其 進行修復(fù)，構(gòu)件因不能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求而無法使用，增加了構(gòu)件的制造成本。

4、為提高和穩(wěn)定先進復(fù)合材料的成型質(zhì)量，降低先進復(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)件研制開發(fā)了中高溫度固化、韌性不同的NY9200環(huán)氧樹脂體系，原材 料均為國產(chǎn)，價廉易購；其配制工藝簡單，質(zhì)量穩(wěn)定，可用于濕法或干法預(yù)浸，無污染，易工程化；其預(yù)浸料具有貯存期長，固化溫度帶寬，固化時間短等優(yōu)點；其先進復(fù)合材料具有 韌性和機械性能兼優(yōu)的特性，完全可滿足使用溫度為80130C的國內(nèi)先進復(fù)合材料對樹脂 基體的要求。其先進復(fù)合材料層壓板的基本性能如表1所示。表1 N伸的呻拂-體系先進皇合材料原壓板的堇本性筑序號項 君HTD3BHHL3BHTi)7TYKWGA 砒F3001層間瞥切強.匪/MFa1

5、0293明2橫陶位憚強度刀/、6?$33描向拉伸彈牲模望ijPa9.393新S.74濁向拉停強度八？PiL7U)17472181I的5飆向拉伸摸最/GPa143371321376橫向壓塌奇度刀擊鎰1701即1927橫向壓環(huán)模宣/GPa9.3機48.59,0g縱向壓縮套隹JMPfL1 4榆L351的I亦縱前曲摸皇/GPa143田120123凹魏橫輯切強度ZMP設(shè)眇124120由1覲橫卵切模ft/GPa4力5-54,64,212市程比0.3111.310.33C.3013縱向彎曲隅度鮑虹im161?1749例14縱向杏曲模量/G瑋4DZ115H4154擊卮壓帶葬度.：-.P/p>

6、616崎高癥用溫度80100搠該樹脂體系復(fù)合材料已批量用于各類航空產(chǎn)品，經(jīng)測算每生產(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率為8.6%。2、輔助材料的國產(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。由于國內(nèi)先進復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展起步較晚，因此，國內(nèi)許多廠家所用的輔助材料均依賴于進口，這樣 不僅價格高，需花費大量的外匯（輔助材料成本約占材料總成本的80%），而且還常常因進 貨渠道等問題難于保證生產(chǎn)的進度需要，特別是先進復(fù)合材料制造成本方面，嚴重地阻礙了 這一先

7、進復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展。經(jīng)過多年的調(diào)研和試驗，我們在生產(chǎn)中已確定用多種國產(chǎn) 輔助材料替換進口輔助材料。國產(chǎn)化輔助材料的應(yīng)用，打破了完全依賴進口的被動局面，促 進了國內(nèi)輔助材料的研究進程，使制造成本大大下降。在工程化應(yīng)用實踐中，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 過對國產(chǎn)輔助材料的使用和生產(chǎn)環(huán)節(jié)過程中的規(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，制造成本降低貢獻率高達33.6%。3、共固化成型工藝的優(yōu)化對于封閉式盒形典型結(jié)構(gòu)部件，通常是采用對合?？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)

8、將墻體與蒙皮一次性成型出來，如圖1（a）所示。在加溫固化過程中，對預(yù)制品施加壓力 是靠橡膠軟模的熱膨脹力來完成的。這種成型工藝使用的橡膠軟模成本極高，且存在以下的 問題：（1）對于預(yù)浸料蒙皮或墻體設(shè)計層數(shù)較多時，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渡角區(qū)完全貼合，導(dǎo)致蒙皮與墻體脫粘、疏松。（3）軟模各部位的熱膨脹力的計算復(fù)雜，使用次數(shù)有限，成型模設(shè)計要求高。（4）軟模在加熱過程中因熱傳導(dǎo)問題，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。針對上述問題

9、，我們經(jīng)過反復(fù)試驗，在工程化生產(chǎn)中不斷改進，將軟模共固化工藝優(yōu)化為圖1（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。圖軟模共固化工藝為提高工程化生產(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)達到 最優(yōu)化，產(chǎn)品合格率達到99%以上。通過對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60 0元，對制造成本降低的貢獻率為42.8%。4、性能測試項目優(yōu)化方案先進復(fù)合材料構(gòu)件在固化成型后必須進行外形尺寸檢驗、內(nèi)部質(zhì)量無損檢測和隨爐 試樣的強度測試。檢查時

10、間與整個制件成型時間相當(dāng)。由于產(chǎn)品進入批量生產(chǎn)，隨爐試樣要 耗費公司大量的人力物力，因此如何優(yōu)化隨爐試樣的測試項目也是提高生產(chǎn)效率、降低制造 成本的一個方面。隨爐試樣的性能不是用來評價設(shè)計強度值的，而是用來考核工藝的穩(wěn)定性 的，根據(jù)國際航空復(fù)合材料轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的一貫作法以及我公司在對60罐次的隨爐試樣的性能 測試值進行統(tǒng)計分析的結(jié)果，將4項指標(biāo)減為2項，即留下層間剪切和含膠量。通過對性能測試項目優(yōu)化，每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約120元， 對制造成本降低的貢獻率為8.6%。5、修補技術(shù)研究進入工程化生產(chǎn)后，由于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用，在此過程中難免存在缺陷/損傷， 先進復(fù)合材料制件的

11、生產(chǎn)和售后服務(wù)成為急待解決的問題。通過大量的工藝試驗和強度性能 測試，我們對各種缺陷/損傷類型給出了具體的修補方案，形成了修補文件。除常用的注射 樹脂修補、填充和灌注修補、螺接外補強板修補以及膠接外補強板修補方法外，還根據(jù)我們 公司復(fù)合材料制件的特點研制了適用于撞擊及碰傷導(dǎo)致的先進復(fù)合材料制件內(nèi)部疏松、分層、蜂窩受損等缺陷/損傷的修補法，如預(yù)浸料補片法、固化補片法。這些方法的技術(shù)難點在于 補片的同心度控制和缺口斜階的控制。在同心度方面專門研制了一套定位板用于取樣和定位， 在斜階方面通過特制工具和試驗獲得斜階的長厚比。在共固化技術(shù)工程化應(yīng)用的前期，我們曾出現(xiàn)過制造質(zhì)量不滿足設(shè)計要求的現(xiàn)象， 通過我們的修補技術(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 對制造成本降低貢獻率達到6.4%。結(jié)論先進復(fù)合材料共固化技術(shù)在某型機上自90年代初得到應(yīng)用以來，已生產(chǎn)了 350余架 次，實現(xiàn)了工程化的目標(biāo)。通過原材料的開發(fā)、輔助材料的國產(chǎn)化研究、共固化工藝的優(yōu)化、 性能測試項目的優(yōu)化和修補技術(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，又獲 得了極大的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了低成本共固化技術(shù)的工程化應(yīng)用。通過該材料的工程化應(yīng)用， 我們可得出以下的結(jié)論：（1）金屬-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