復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料,通過物理或化學的方法,在宏觀上組成具有新性能的材料。相對鋼筋混凝土等傳統(tǒng)復合材料,近50年發(fā)展起來的,以碳纖維、玻璃纖維等作為增強材料的新型輕質(zhì)高強復合材料又被稱為先進復合材料。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展,先進復合材料以其高比模量、高比強度、高耐腐蝕性等優(yōu)越的性能,逐漸在航空航天領域得到了廣泛的應用。在航天領域,由于輕質(zhì)復合材料在減重增程方面的明顯效果,以及在防熱增強方面的優(yōu)越性能,從頭錐、喉襯到彈體、發(fā)動機外殼,越來越多的構(gòu)件采用復合材料來生產(chǎn)。同樣在航空制造業(yè),在過去幾十年中,復合材料走過了一段從僅用于整流罩等非承力構(gòu)件,到用于尾翼等次承力部位,最后被成功地應用于軍機和民機的主承載結(jié)構(gòu)上的發(fā)展歷程,使得復合材料不再僅僅扮演減重的角色,其增強性能和可靠性也得到了認可。
盡管如此,經(jīng)過了幾十年的工藝改進,復合材料的制造成本和原料成本降幅仍低于人們的預期。目前,碳纖維增強環(huán)氧樹脂預浸料的原材料成本仍比鋁合金高5~10倍,而制造成本則更高。共固化技術(shù)雖然可以通過實現(xiàn)構(gòu)件的高度整體化和減少零件數(shù)量的辦法來降低成本,但實踐證明其帶來了更高的循環(huán)成本和非循環(huán)成本。另一方面,傳統(tǒng)的預浸料/熱壓罐成型工藝并非對任何構(gòu)件都試用。某些形狀復雜或承受高集中載荷的構(gòu)件雖然也曾嘗試用這種工藝來生產(chǎn),但往往因為過高的成本,最終被金屬材料所替代??梢姡甙旱某杀驹诤艽蟪潭壬辖档土藦秃喜牧蠘?gòu)件的市場競爭力,限制了復合材料結(jié)構(gòu)的進一步推廣。
可見,要進一步提高復合材料在航空航天工業(yè)中的用量,就必須尋求一種低成本的成型工藝,而樹脂傳遞模塑(RTM)工藝是降低復合材料結(jié)構(gòu)成本最有希望的工藝之一。這種工藝采用低粘度樹脂注入閉合模具中,樹脂沿已預先鋪設或經(jīng)預成型處理的增強材料間的空隙流動并浸潤增強材料,注塑完成后在模具型腔內(nèi)通過模具加熱固化成型。與其他傳統(tǒng)復合材料成型工藝相比,RTM有許多優(yōu)點:適于生產(chǎn)形狀復雜復合材料構(gòu)件、無需膠衣樹脂也可獲得光滑的雙表面、產(chǎn)品從設計到投產(chǎn)時間短、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)設備簡單等。RTM模具和產(chǎn)品可采用CAD進行設計,模具制造相對容易,材料選擇廣泛。RTM成型的構(gòu)件易于實現(xiàn)局部增強以及局部加厚,之前需要后期粘接的復雜構(gòu)件(如蒙皮加筋結(jié)構(gòu))易于一次成型。RTM工藝成型過程中樹脂揮發(fā)少,有利于勞動保護和環(huán)境保護。成本方面,相對于預浸料成型工藝,采用RTM工藝單位質(zhì)量的價格可以減少30%~50%。而隨著工藝水平的不斷完善,RTM工藝也實現(xiàn)了在飛機主承力結(jié)構(gòu)的成型。RTM工藝的應用為復合材料在航空航天工業(yè)中的進一步推廣注入了新的活力。
RTM工藝與模具設計
復合材料RTM成型工藝的生產(chǎn)流程包括以下5個步驟:
(1)預成型:將增強體干料加工成零件需要的形狀,之后放入型腔中,增強體與型腔內(nèi)壁之間盡可能不留縫隙;
(2)注塑:樹脂通過注射裝置注入型腔,樹脂在增強體的空隙間流動,并浸潤增強體;
(3)固化:待樹脂充分填充型腔后,利用模具上的加熱裝置對型腔內(nèi)的樹脂進行加熱,令其充分固化;
(4)開模:將型腔的上下模分開,取出固化后的復合材料構(gòu)件,如有可拆卸型芯和拆卸型芯;
(5)剪邊:對復合材料構(gòu)件進行修剪,裁去為出入膠孔預留的邊緣,并做適當?shù)拇蚰?,確保光潔。