高性能樹脂基復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用

基于典型的輕量特性，高性能樹脂基材料具有強(qiáng)度高、比量高、獨特的耐腐蝕性和隱蔽性、材料性能的可設(shè)計性、生產(chǎn)工藝性和易加工性等特點。全世界各國都喜歡它。采用復(fù)合材料可實現(xiàn)武器系統(tǒng)輕量化,從而提高快速反應(yīng)能力,在高威力、大射程、精確打擊等方面起到巨大作用,尤其在以航空為主的國防工業(yè)已得到普遍應(yīng)用。目前采用復(fù)合材料制造的零、部件現(xiàn)已成為航空、航天、兵器、船舶等國防產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要組成部分。1國外各種機(jī)體復(fù)合材料用量樹脂基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比模量,抗疲勞、耐腐蝕、成形工藝性好以及可設(shè)計性強(qiáng)等特點,現(xiàn)已成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)中與鋁合金、鈦合金和鋼并駕齊驅(qū)的四大結(jié)構(gòu)材料之一。擴(kuò)大復(fù)合材料用量是實現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重、性能提高的最直接、最有效的途徑之一。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,西方的軍用飛機(jī)無一例外的大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu),用量一般都在25%以上,有的甚至達(dá)到40%,結(jié)構(gòu)減重效率達(dá)30%。表1列出了國外各種機(jī)型復(fù)合材料用量。民用飛機(jī)方面,波音公司1980年開始在波音727升降舵上使用環(huán)氧基復(fù)合材料,并獲得了較理想的效益,然后逐步地擴(kuò)展到波音737,747,767和777等系列機(jī)型,新一代波音787“夢幻”飛機(jī),其復(fù)合材料用量達(dá)到50%。歐洲空中客車公司在應(yīng)用復(fù)合材料方面毫不遜色于美國的飛機(jī)制造公司,A320飛機(jī)復(fù)合材料用量超過了結(jié)構(gòu)重量的15%,新近研制的A350超寬體客機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)上均采用了先進(jìn)復(fù)合材料,其用量已占結(jié)構(gòu)重量的53%,見圖1。2低成本化的應(yīng)用樹脂基復(fù)合材料的大量應(yīng)用直接帶來了一個問題就是產(chǎn)品成本的急劇增加。所以,復(fù)合材料的低成本化在國外已成為與性能提高具有同樣重要性,不論軍機(jī)民機(jī)均是如此,“成本與性能同樣重要”已成為國外飛機(jī)選材的指導(dǎo)思想,低成本化成為復(fù)合材料的主要發(fā)展方向之一。(1)工藝設(shè)計及施工造成復(fù)合材料成本過高的原因除了原材料(特別是高性能碳纖維)成本因素外,還主要包括以下4個方面:①復(fù)合材料設(shè)計技術(shù)落后,研制效率低。當(dāng)前研制的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)大都是金屬結(jié)構(gòu)的替代,并不適于復(fù)合材料成型制造。此外復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計通常是采用試驗摸索,先是平板試驗,再做縮比件試驗,并且反復(fù)數(shù)次,研制周期很長;制造方法的選擇和工藝參數(shù)的優(yōu)化都是憑經(jīng)驗和實驗,費用高,科學(xué)性和通用性差。②制造技術(shù)落后。如目前常用的熱壓罐成型技術(shù),雖然可用來制造高性能的復(fù)合材料,但同時也存在耗能大,輔助材料費用高,工藝過程長等缺點,導(dǎo)致復(fù)合材料制造成本很高。③制造工藝方法不通用。從大量試驗摸索形成的一種較合理的制造工藝方案,只適合特定情況。一旦組分材料或結(jié)構(gòu)形狀改變,又需重新試驗,耗資耗時。④制造質(zhì)量可控性差,造成復(fù)合材料性能分散,設(shè)計許用值低,合格率低;有缺陷產(chǎn)品的鑒定、評價、檢測、跟蹤維護(hù)的費用高。(2)低成本制造技術(shù)世界各國都看到了復(fù)合材料對國防發(fā)展的重要意義和應(yīng)用前景,政府都在積極支持、組織開展復(fù)合材料應(yīng)用的推進(jìn)計劃,以降低復(fù)合材料成本,并都取得了不小的成績。其典型的低成本復(fù)合材料計劃有:①先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)計劃(ACT),在復(fù)合材料低成本技術(shù)方面,美國首先實施了先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)計劃計劃,強(qiáng)調(diào)高性能復(fù)合材料的低成本制造工藝技術(shù)的研究與應(yīng)用。ACT計劃主要涉及的低成本制造技術(shù)包括縫紉∕RTM(ResinTransferMolding)、縫紉/RFI(ResinFilmInfusion)、編織預(yù)成形技術(shù)、自動纖維鋪放/纏繞、拉擠成型和采用大絲束纖維等低成本制造技術(shù)。②美國低成本復(fù)合材料技術(shù)(CAI),該計劃的主要目的是在現(xiàn)有材料體系基礎(chǔ)上,通過復(fù)合材料設(shè)計理念和制造技術(shù)理念的轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)在高效能復(fù)合材料設(shè)計方面和低成本制造技術(shù)方面質(zhì)的飛躍。CAI的目標(biāo)是將復(fù)合材料成本從1500$/lb降低到150$/lb,將復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量提高到60%左右。該計劃在執(zhí)行中期集中在F-35(JSF)戰(zhàn)斗機(jī)上做了驗證,并已按計劃取得了相應(yīng)的成功。③歐洲TANGO計劃,目標(biāo)是機(jī)身結(jié)構(gòu)減重20%,成本降低20%。旨在實現(xiàn)關(guān)鍵預(yù)制機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn),為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)實踐提供基礎(chǔ)。采用的主要技術(shù)包括樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型(RTM)、自動鋪帶技術(shù)(ATL)以及先進(jìn)的連接和組裝技術(shù)等;歐洲近期又在執(zhí)行一個名為“SWK”的計劃,目標(biāo)減重30%,降低成本40%,主要為大型復(fù)合材料機(jī)身服務(wù),為此要進(jìn)行技術(shù)上的革新,革新設(shè)計概念、革新制造方法。④歐洲ALCAS計劃,選用兩種飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼作為驗證平臺進(jìn)行驗證,實現(xiàn)復(fù)合材料在主結(jié)構(gòu)上高質(zhì)量、低成本應(yīng)用,使復(fù)合材料用量達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%~30%,減重20%~30%,降低成本0%~20%。3復(fù)合材料低成本化的生產(chǎn)技術(shù)低成本高性能復(fù)合材料技術(shù)主要涉及適宜于低成本復(fù)合材料的設(shè)計技術(shù);復(fù)合材料成型過程模擬與優(yōu)化技術(shù);復(fù)合材料的材料技術(shù);復(fù)合材料的成型技術(shù);以及相應(yīng)的復(fù)合材料驗證、檢測、裝配和使用維護(hù)技術(shù)等。復(fù)合材料低成本化的重點是工藝的低成本化,如包括非熱壓罐固化復(fù)合材料技術(shù)、復(fù)合材料液體成型技術(shù)和自動化制造技術(shù)等。大力推廣自動化工藝,如自動鋪帶、自動纖維鋪放、RTM、RFI等工藝,目標(biāo)是降低成本20%。(1)自動絲束鋪放技術(shù)復(fù)合材料自動化制造技術(shù)包括自動鋪帶技術(shù)(ATL)和自動絲束鋪放技術(shù)(AFP)兩種。自動鋪帶和絲束鋪放技術(shù)都是軍民用飛機(jī)生產(chǎn)自動化技術(shù)中發(fā)展最為迅猛的部分。自動化設(shè)備的開發(fā)在自動鋪帶領(lǐng)域,目前鋪帶寬度最大可達(dá)到300mm,鋪帶速度達(dá)1.3~20.4kg/h,生產(chǎn)效率可達(dá)到手工鋪疊的數(shù)十倍。所有787翼面及翼盒構(gòu)件均采用自動鋪帶技術(shù)制造。與此同時,針對批生產(chǎn)開發(fā)了定制的專用自動化設(shè)備,如波音787地板的龍門式鋪帶機(jī)采用了雙頭的“大力神”設(shè)備。A350XWB將采用“TORRESLAYUP”11軸的龍門式高速鋪帶機(jī),可鋪300,150mm和75mm的寬帶,鋪帶頭內(nèi)裝有預(yù)浸帶缺陷檢測系統(tǒng)。自動鋪放技術(shù)絲束鋪放技術(shù)適于大曲率機(jī)身和復(fù)雜曲面成型,目前鋪絲速度可達(dá)6.8~11.3kg/h,最高可達(dá)23kg/h,最新的Viper6000系統(tǒng)可以鋪放并控制32個纖維束,每束寬3.2mm,以前的機(jī)器為24個絲束,從而使鋪層帶寬從7.6cm增到10.2cm。鋪放速度達(dá)到30m/min,精度±1.3mm。787全部機(jī)身采用了自動鋪放技術(shù),可鋪放6.5m直徑、17m長的工件。Spirit航空系統(tǒng)公司將用最新的Electroimpact自動鋪放機(jī)鋪787的機(jī)身41段,該設(shè)備為模塊式纖維鋪放機(jī),模塊更換時間30s,絲束寬6mm及12mm。(2)工藝/材料/設(shè)計的綜合以RTM,RFI為代表的復(fù)合材料液體成型(LiquidCompositeMolding,LCM)技術(shù)自20世紀(jì)80年代出現(xiàn)以來,美國、歐洲、澳大利亞、日本等均在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作,其中最具代表性的是美國的先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究計劃,即ACT(AdvancedCompositesTechnology)計劃和先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)計劃,即ALAFS(AdvancedLightweightStructureTechnologyProgram)計劃。這些計劃的核心之一就是通過工藝/材料/設(shè)計的綜合,實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高減重和低成本。RTM的優(yōu)點是成品的損傷容限高,可成型精度高、空隙率小的復(fù)雜構(gòu)件及大型整體結(jié)構(gòu)件。同時隨著新型增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新,編制技術(shù)和預(yù)成型體技術(shù)與RTM技術(shù)相結(jié)合,形成了新的工藝發(fā)展和應(yīng)用方向。如B787的后壓力隔框就是采用VARTM制造的,它是一個半球形的整體隔框,插在增壓的機(jī)身47段及非增壓的48段及尾段之間,尺寸大約為4.3m×4.6m,B787將成為首架具有復(fù)合材料后壓力隔框的飛機(jī)。另外,美國最新研制的F-35“聯(lián)合攻擊機(jī)”(JSF)復(fù)合材料整體垂尾也是采用RTM工藝整體成型制造,該復(fù)合材料垂尾是單件最大、最復(fù)雜的RTM成形的航空結(jié)構(gòu)件,制件長3.65m,重約90kg,從而減少緊固件1000多個,降低成本60%。(3)熱壓罐質(zhì)量非熱壓罐固化在過去一直頗受爭議。如在787生產(chǎn)過程中,非美國承包商原提議RFI件采用非熱壓罐固化,但波音公司經(jīng)過驗證,認(rèn)為韌性不滿足規(guī)范要求,因此還需熱壓罐固化。其中關(guān)鍵的問題是如何界定“熱壓罐質(zhì)量”。目前,越來越多的制造商對于原有的假定產(chǎn)生質(zhì)疑。他們認(rèn)為,非熱壓罐固化確實會使纖維體積含量減少,但其影響甚小,如在VARTM技術(shù)中,單向帶及織物的纖維體積含量已分別達(dá)到60%和56%,而熱壓罐固化所能達(dá)到的相應(yīng)值也僅為62%和58%。因此,相對于熱壓罐法而論,韌性的降低大約處于3%~4%之間。而判定一種產(chǎn)品的可接受性,僅評價性能未免偏激,減重、零件數(shù)、可制造性、加工時間、表面質(zhì)量以及成本因素也應(yīng)綜合考慮,因而,非熱壓罐固化還是前景看好。mtm45-1氧漂帶預(yù)浸帶較之VARTM和RTM更接近傳統(tǒng)方法的是采用為非熱壓罐固化開發(fā)的專用預(yù)浸料,然后在固化爐中固化。目前,先進(jìn)復(fù)合材料公司的首個熱壓罐外固化復(fù)合材料MTM44-1已取得空客認(rèn)可用做結(jié)構(gòu)件。MTM44-1是一種兩步固化(130~180℃)高性能韌化環(huán)氧基預(yù)浸帶,經(jīng)低壓真空袋處理后,具有低孔隙率。可制造大型整體結(jié)構(gòu)。MTM44-1有兩種預(yù)浸帶形式(帶及織物)。另外MTM45-1樹脂已經(jīng)在Scaled復(fù)合材料公司(ScaledComposites)的“白騎士”2(WhiteKnight)和洛克希德·馬丁公司的P175“臭貓”(Polecat)無人機(jī)上得到了成功應(yīng)用。美國空軍實驗室的最新X型驗證機(jī),即先進(jìn)復(fù)合材料貨運飛機(jī)(ACCA)就是用來驗證用這種非熱壓罐復(fù)合材料(MTM45-1)成型的大型整體結(jié)構(gòu)件在軍用運輸機(jī)的應(yīng)用潛力,2009年6月2日ACCA的成功首飛標(biāo)志著低成本非熱壓罐復(fù)合材料在未來飛行器上的大量應(yīng)用又向前邁出了實質(zhì)性的一步。電子束固化技術(shù)電子束固化是一種新出現(xiàn)的制造技術(shù),將作為一種低成本和非熱壓罐固化技術(shù)用來制造大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。用電子束固化樹脂基復(fù)合材料的優(yōu)點是固化時間短、樹脂的穩(wěn)定性好、可與鋪層工藝連續(xù)作業(yè)及在單一產(chǎn)品中能固化具有不同熱固化循環(huán)的材料等,因此電子束固化技術(shù)的研究受到各方面的關(guān)注。目前有一種將自動鋪帶與原位電子束固化結(jié)合起來的新工藝技術(shù),對于降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、特