與傳統(tǒng)金屬材料相比,復(fù)合材料具有密度低、比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能好和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),在航空領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代開始,復(fù)合材料就首先在軍用飛機(jī)上少量使用,到了80年代已在民用飛機(jī)上進(jìn)行了試用。應(yīng)用基本是從非承力結(jié)構(gòu)到次承力結(jié)構(gòu)最后到主承力結(jié)構(gòu),從部位來說是從尾翼到機(jī)翼最后到機(jī)身。隨著技術(shù)的不斷成熟,復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量越來越多,減重效果也越來越明顯。截至2008年,波音B787飛機(jī)上復(fù)合材料的用量已突破性地達(dá)到了50%,其后空客公司制造的A350飛機(jī)上復(fù)合材料的用量將達(dá)到52%,這些都充分表明復(fù)合材料在航空上的應(yīng)用與發(fā)展已達(dá)到一個(gè)飛速發(fā)展的階段[1]。

長期以來,限制復(fù)合材料在飛機(jī)上擴(kuò)大應(yīng)用的原因主要有2個(gè):一是技術(shù)成熟度沒有金屬高;二是復(fù)合材料成本太高,復(fù)合材料構(gòu)件的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金構(gòu)件。要想擴(kuò)大復(fù)合材料在航空上的應(yīng)用,就必須降低復(fù)合材料的成本。歐洲、美國、日本和澳大利亞等從1986年開始先后啟動(dòng)了TANGO(Technology application to the near-term businessgoals and objectives of the aerospace industry)、ALCAS(Ad-vanced and low cost airframe structure)、ACT(Advancedcomposite technology)和CAI(Composite affordable initia-tive)等計(jì)劃,開展了降低復(fù)合材料成本的織物預(yù)成型技術(shù)、液體成型技術(shù)(RTM、RFI)、自動(dòng)鋪帶技術(shù)、自動(dòng)鋪絲技術(shù)、電子束固化等低成本制造技術(shù)的研究。通過驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料在主承力結(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)質(zhì)量的20%~30%,減重20%~30%,降低成本10%~20%[2]。

本文旨在通過介紹國內(nèi)外復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,如自動(dòng)鋪帶技術(shù)、自動(dòng)鋪絲技術(shù)、低溫固化預(yù)浸料技術(shù)、電子束固化技術(shù)、液體成型技術(shù)結(jié)合纖維編織及縫編技術(shù)和樹脂膜滲透成型技術(shù)(RFI)的原理及工藝過程,并列舉空客公司最新飛機(jī)A380使用RFI工藝制造后壓力艙隔板的工藝過程,進(jìn)一步促進(jìn)復(fù)合材料在我國航空及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1　自動(dòng)鋪放技術(shù)

自動(dòng)鋪放技術(shù)是近30年來快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的自動(dòng)化制造技術(shù),包括自動(dòng)鋪帶技術(shù)和自動(dòng)鋪絲技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)的共同優(yōu)點(diǎn)是采用預(yù)浸料,并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化制造,高效高速。自動(dòng)鋪放技術(shù)特別適用于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造,在各類飛行器尤其是大型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)制造中所占的比例越來越大[3]。其中自動(dòng)鋪帶技術(shù)主要用于大尺寸、中小曲率的部件,如機(jī)翼、壁板構(gòu)件等的制造;而自動(dòng)鋪絲技術(shù)主要用于大曲率部件,如機(jī)身等的制造[4]。

1.1　自動(dòng)鋪帶技術(shù)(Automatic tape laying)

自動(dòng)鋪帶的基本過程為:先將帶有隔離紙的單向預(yù)浸帶在鋪帶頭中切割成要求的尺寸,然后將其在壓輥的作用下鋪貼到模具表面,最后自動(dòng)去除隔離紙。鋪貼過程中為保證預(yù)浸料的粘性,必要時(shí)還可以對預(yù)浸帶進(jìn)行加熱。該技術(shù)的關(guān)鍵是自動(dòng)鋪帶機(jī)。國外從20世紀(jì)70年代中期開始研究自動(dòng)鋪帶機(jī),1983年第一臺(tái)自動(dòng)鋪帶機(jī)投入商業(yè)使用,F16戰(zhàn)斗機(jī)80%的蒙皮由其鋪貼。但早期設(shè)備只能鋪放單曲面形體,預(yù)浸帶帶寬僅為75mm,可切割角度變化范圍小。隨著需求的不斷增加,開發(fā)出了第二代鋪帶機(jī)(帶寬300mm,可鋪貼大平面制件)和第三代鋪帶機(jī)(可以鋪貼復(fù)雜雙曲面)。目前國外自動(dòng)鋪帶機(jī)的主要制造商有美國的Cincinnati、法國的Forest-Line和西班牙的M Torris公司等。最新的10軸鋪帶機(jī)一般帶有雙超聲切割刀和縫隙光學(xué)探測器,鋪帶寬度最大可達(dá)到300mm,生產(chǎn)效率達(dá)到1000kg/周,是手工鋪貼的數(shù)十倍。

目前國外幾乎所有的大型復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)都采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)鋪貼。圖1為自動(dòng)鋪帶機(jī)工作過程及其鋪貼的典型零件的照片[2,4-8]?！　?/p>

我國自動(dòng)鋪帶技術(shù)的發(fā)展也比較迅速。2004年起南京航空航天大學(xué)與中國一航材料院聯(lián)合開發(fā)自動(dòng)鋪帶技術(shù),完成了小型鋪帶機(jī)試制、專用預(yù)浸帶技術(shù)研究和基于Auto-CAD的初級CAD/ACM軟件開發(fā),并著手研制中型自動(dòng)鋪帶工程樣機(jī),為研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)鋪帶技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。“十一五”期間,中國一航制造所、成都飛機(jī)工業(yè)公司和南京航空航天大學(xué)合作開展了6m×20m大型工業(yè)自動(dòng)鋪帶機(jī)研制工作,通過引進(jìn)鋪帶頭關(guān)鍵技術(shù),將在“十一五”末期研制出大型工業(yè)化自動(dòng)鋪帶機(jī),用于研制新一代飛機(jī)和大型飛機(jī)的機(jī)翼及壁板類復(fù)合材料構(gòu)件[3]。

1.2　自動(dòng)鋪絲技術(shù)(Automatic fiber placement)

自動(dòng)鋪絲是將數(shù)根預(yù)浸紗用多軸鋪放頭按照設(shè)計(jì)要求所定的鋪層方向和厚度,在壓輥下集為一條預(yù)浸帶后鋪放在芯模表面,加熱軟化預(yù)浸紗并壓實(shí)定型,整個(gè)過程由計(jì)算機(jī)測控、協(xié)調(diào)完成。該技術(shù)是為克服纖維纏繞與自動(dòng)鋪帶技術(shù)的限制而研發(fā)的,其核心技術(shù)是多絲束鋪放頭的設(shè)計(jì)研制和相應(yīng)材料體系的開發(fā)。1985年Hercules公司研制出第一臺(tái)自動(dòng)鋪絲原理樣機(jī),1990年Cincinnati公司的第一臺(tái)自動(dòng)鋪絲系統(tǒng)投入使用。國外主要的自動(dòng)鋪絲機(jī)制造商有美國的Cincinnati公司等,目前最成熟的設(shè)備總運(yùn)動(dòng)軸可達(dá)到7個(gè),絲束數(shù)目最大可達(dá)32根,最大成型構(gòu)件可達(dá)Φ5.5m×16m,型面尺寸及重復(fù)定位精度達(dá)到±1.3mm。因自動(dòng)鋪絲的高度自動(dòng)化,落紗鋪層方向準(zhǔn)確,可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件快捷制造,迅速形成批量生產(chǎn),生產(chǎn)速度快、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,可靠性高,可真正實(shí)現(xiàn)“低成本、高性能”。

        自動(dòng)鋪絲技術(shù)是目前發(fā)展應(yīng)用最為迅速的復(fù)合材料自動(dòng)化、低成本制造技術(shù)之一,最突出的應(yīng)用是在波音公司最新飛機(jī)B787機(jī)身的制造上。圖2為自動(dòng)鋪絲機(jī)鋪放過程及其制造的典型部件的照片[2]?！　?/p>

國內(nèi)自動(dòng)鋪放成型技術(shù)研究較晚,南京航空航天大學(xué)“九五”期間就開始著手調(diào)研,在學(xué)校貸款、航空支撐預(yù)研、國家科技部863項(xiàng)目資助下,完成了八絲束鋪放試驗(yàn)系統(tǒng)、鋪絲用精密低張力測控系統(tǒng)、鋪絲開放式數(shù)控系統(tǒng)的研制和溶劑法專用預(yù)浸紗研究;并開發(fā)了基于OpenGL的自動(dòng)鋪絲運(yùn)動(dòng)模擬設(shè)計(jì)與仿真軟件和基于CATIA的自動(dòng)鋪絲CAD/CAM軟件原型,形成了自動(dòng)鋪絲及裝備技術(shù)儲(chǔ)備。目前正在開展自動(dòng)鋪絲工程樣機(jī)的研究工作,為自動(dòng)鋪絲技術(shù)的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)[3]。

2　低溫固化預(yù)浸料技術(shù)

低溫固化預(yù)浸料[4]的固化溫度低于100℃,固化后在自由狀態(tài)下通過高溫后處理可達(dá)到完全固化進(jìn)而達(dá)到較高的玻璃化溫度。經(jīng)后處理的低溫固化預(yù)浸料,其力學(xué)性能及耐熱、耐老化性能與中、高溫固化的預(yù)浸料相當(dāng)。采用低溫固化技術(shù),可以大大降低對模具材料、輔助材料的要求。制造的復(fù)合材料的構(gòu)件尺寸精度高,固化殘余應(yīng)力低,尤其適用于大型、復(fù)雜構(gòu)件的制備。所用樹脂多為環(huán)氧樹脂,其核心技術(shù)主要在于潛伏性固化劑體系,預(yù)浸料既要保證足夠的反應(yīng)活性以便能在較低的溫度下固化,又要有足夠長的室溫(超過10天)及低溫(-18℃超過6個(gè)月)貯存期。目前應(yīng)用最多的潛伏性固化劑是采用不同方法改性的咪唑類固化劑。

從ACG公司1975年研制出第一個(gè)低溫固化體系LTM10至今,許多公司如Hexcel、Cytec、3M也先后研制出各自的低溫固化預(yù)浸料。國內(nèi)北京航空材料研究院在過去的幾年里也先后研制出了LT系列低溫固化樹脂及SY-70低溫固化膠膜,其中LT-01及LT-03樹脂分別配合T-300及T-700纖維,已用于無人機(jī)的研制。低溫固化預(yù)浸料的發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)不用熱壓罐,在真空壓力下低溫固化,通過控制樹脂的流動(dòng)性及反應(yīng)特性,采用適當(dāng)?shù)念A(yù)壓實(shí)及固化工藝,使復(fù)合材料固化后的孔隙率與熱壓罐固化的產(chǎn)品相當(dāng)。目前低溫固化預(yù)浸料更多的是用于復(fù)合材料工裝及無人機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的制造,部分用于復(fù)合材料構(gòu)件的修補(bǔ)。

3　電子束固化

電子束固化是一個(gè)利用高能、高聚集度的電子束來固化樹脂基材料的過程,電子直線加速器是電子束固化技術(shù)的主要設(shè)備,用于產(chǎn)生一般介于3~10MeV之間的電子束能量。電子束固化通常由2道工序組成,第一步是鋪層、壓實(shí),第二步是采用電子束輻照固化,輻照工序要求電子束穿透整個(gè)工件厚度以及任何真空袋或模具材料。電子束固化在室溫下進(jìn)行,消除了由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生的部件翹曲和變形,能更好地控制外形,而且由于室溫和真空袋的運(yùn)用帶來了低的加工成本;電子束固化時(shí)間很短,常為秒級至分級,降低了能耗;而且固化后制品的孔隙率、吸水率和收縮率都低,這是其顯著的優(yōu)點(diǎn)。另外,電子束固化與纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)相結(jié)合,能成型大型整體部件,明顯減少部件、緊固件和模具的數(shù)量,是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)減重的重要措施,也是降低成本的一種有效方法[5]。但電子束固化技術(shù)目前還很少在航空上應(yīng)用。

4　液體成型技術(shù)

液體成型技術(shù)[4]是過去20年里復(fù)合材料低成本制造技術(shù)發(fā)展最重要的一個(gè)方向。該技術(shù)不需要用昂貴且使用、維護(hù)費(fèi)用均較高的熱壓罐,可以高精度、穩(wěn)定地成型復(fù)雜構(gòu)件,表面質(zhì)量、尺寸精度、重復(fù)性均優(yōu)于熱壓罐成型的構(gòu)件,適于制造較大批量的復(fù)合材料構(gòu)件。該技術(shù)的核心是樹脂注入工藝及纖維預(yù)成型體的制造技術(shù)。初期發(fā)展的工藝是樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝(RTM),其基本原理是將預(yù)成型體放置在設(shè)計(jì)好的模具中,閉合模具后,通過正壓將所需的樹脂注入模具,當(dāng)樹脂充分浸潤增強(qiáng)體后,加熱并保持正壓固化,固化完后脫模獲得產(chǎn)品。隨著不同應(yīng)用的需求,后期又發(fā)展出多種樹脂注入的工藝,較為成熟的主要有VARTM(真空輔助吸入樹脂的RTM工藝)、VARI(單面模具、真空輔助吸入、真空壓力固化)、SCRIMP(加入高滲透率介質(zhì)促進(jìn)樹脂流動(dòng),其他同VARI)及RFI(樹脂膜滲透成型)。航空上可用的RTM樹脂主要為環(huán)氧及雙馬來酰亞胺類。環(huán)氧類具有代表性的是3M公司的PR-500、Hexcel公司的RTM 6、Cytec公司的977-20等;雙馬類具有代表性的是Shell公司的Compimide。RTM類工藝對樹脂的要求是在注入溫度下有較低的粘度,有足夠長的工作時(shí)間,同時(shí)為提高復(fù)合材料性能還要求樹脂有一定的韌性。而按傳統(tǒng)的增韌方法,樹脂韌性與粘度是兩個(gè)矛盾的、很難同時(shí)滿足的因素,所以Cytec公司通過將增韌的熱塑性樹脂紡絲并編入織物中的方法來解決這個(gè)矛盾[6],樹脂中因沒有增韌材料而降低了粘度;而北京航空材料研究院則通過離位增韌的方法也取得了類似的效果[7]。

在纖維預(yù)成型體方面,要求選擇適宜的近凈預(yù)成型體,發(fā)展到目前主要有2D織物、3D織物、2D編織物、3D編織物和縫編織物。不同的編織方法對纖維的性能有不同程度的損傷,編織的密實(shí)程度影響著樹脂的流動(dòng),不同的預(yù)成型體對最終產(chǎn)品的纖維體積含量有較大的影響。為了減少工藝試驗(yàn)費(fèi)用,提高制件的合格率,許多研究者還進(jìn)行了大量的計(jì)算機(jī)模擬研究,通過在不同溫度、壓力、結(jié)構(gòu)條件下測試、模擬樹脂在纖維編織體中的流動(dòng),預(yù)測樹脂在具體零件中的流動(dòng)狀態(tài),設(shè)計(jì)出最佳的流道,以得到缺陷最少的制件。

RTM及其他液體成型技術(shù)是除熱壓罐技術(shù)外發(fā)展最快、最有前途的低成本制造技術(shù),目前在航空上的應(yīng)用包括口蓋、艙門、主梁、雷達(dá)罩等。RTM應(yīng)用最多的例子是F-22飛機(jī)。F22上占非蒙皮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量約45%的約360件承載結(jié)構(gòu)是用RTM技術(shù)制造的,采用RTM技術(shù)使得F-22上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制品的公差控制在0.5%以內(nèi),廢品率控制在5%以內(nèi),比原設(shè)計(jì)節(jié)約成本2.5億美元。圖3為用RTM工藝制造Airbus A330系列飛機(jī)的擾流板接頭的工藝過程?！　?/p>

5　RFI技術(shù)

RFI即樹脂膜滲透成型技術(shù),其實(shí)也是液體成型技術(shù)的一種,與其他液體成型工藝的區(qū)別是樹脂預(yù)先制成膜狀鋪放在纖維預(yù)成型體下方,加熱時(shí)樹脂流動(dòng)是厚度方向的流動(dòng)大大縮短了流程,使纖維更容易被樹脂浸潤。相對于RTM工藝, RFI工藝能制造出纖維含量高(70%)、孔隙率極低(0%~2%)、力學(xué)性能優(yōu)異、制品重現(xiàn)性好、壁厚可隨意調(diào)節(jié)的大型復(fù)合材料制件和復(fù)雜形狀的制件,并可根據(jù)性能要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。RFI工藝采用真空袋壓成型方法,免去了RTM工藝所需的樹脂計(jì)量注射設(shè)備及雙面模具加工無需制備預(yù)浸料,揮發(fā)物少,成型壓力低,生產(chǎn)周期短,勞動(dòng)強(qiáng)度低,滿足環(huán)保要求和低成本高性能復(fù)合材料的要求[9-11]。RFI工藝是除RTM工藝外又一項(xiàng)可在航空上推廣應(yīng)用的低成本制造技術(shù)。目前航空RFI工藝中所用的基體樹脂主要是環(huán)氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂。國外具有代表性的樹脂有Cy-tec公司用在A380上的Cycom977-2, Hexcel公司用在B787上的M36。

國內(nèi)也有不少研究者對RFI工藝進(jìn)行了研究。陳書華等[12]對RFI用模具設(shè)計(jì)與工藝進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)研制了滲透率的測試模具,推導(dǎo)出一維樹脂流動(dòng)的解析表達(dá)式。楊梅[13]對RFI工藝中樹脂的流動(dòng)行為和固化過程進(jìn)行了研究,建立了理論模型和模擬技術(shù)。王東等[9]對RFI工藝用樹脂展開了研究,得到了一種改性雙馬來酞亞胺樹脂。該樹脂體系在室溫下成膜性好、低粘度時(shí)間長,適宜制造纖維體積含量較高的RFI制件。張國利等[14]測定了不同纖維含量疊層預(yù)制體的滲透率,設(shè)計(jì)了一維樹脂膜熔滲的流動(dòng)模型?！　?/p>

 目前RFI工藝已得到工程化應(yīng)用。Airbus公司在德國漢堡的Stade制造廠為A380研制了短軸為5.5m、長軸為6.2m的橢圓形后壓力艙隔板,是到目前為止用RFI工藝制造的最大的航空復(fù)合材料構(gòu)件[14]。下面以其制造工藝過程為例,說明RFI工藝制造大型構(gòu)件時(shí)的具體工藝及最終成型的構(gòu)件,詳見圖4(圖4中,圖片序號(hào)對應(yīng)工藝過程序號(hào))。

(1)將6K與12K高模量碳纖維按0°與90°制成非紡織縫合織物并收卷到2個(gè)軸上;

(2)在用S-52型模具鋼制造的模具上噴脫模劑,然后在設(shè)計(jì)好的部位上鋪HTA/977-2預(yù)浸料用作補(bǔ)強(qiáng)片;

(3)在模具上鋪貼單位面積質(zhì)量為1000g/m2的977-2樹脂膜;

(4)在樹脂膜上鋪貼預(yù)成型體織物;

(5)組袋,按照要求的工藝使樹脂滲透、浸潤纖維并固化(圖略);

(6)在固化后要求的部位貼上用HTA/977-2預(yù)浸料包裹的PMI泡沫成為加強(qiáng)筋;

(7)進(jìn)行第二次固化(圖略);

(8)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男捱吋吹玫阶詈蟮臉?gòu)件。

6·結(jié)束語

隨著復(fù)合材料在航空領(lǐng)域用量的不斷擴(kuò)大,復(fù)合材料低成本制造技術(shù)受到需求牽引也將發(fā)展得越來越快。各種低成本制造技術(shù)的研究也越來越細(xì)化,并不斷向?qū)嶋H的工程應(yīng)用靠近。熱壓罐固化的自動(dòng)鋪放技術(shù)已經(jīng)在國外各航空制造廠用于制造幾乎所有大型復(fù)合材料構(gòu)件(包括尾翼、機(jī)翼及機(jī)身主要部件),RTM、RFI等技術(shù)也已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段。國內(nèi)盡管在復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的理論研究方面取得了長足的進(jìn)步,但仍需加緊其應(yīng)用研究,使復(fù)合材料的成本問題不再成為阻礙其在應(yīng)用領(lǐng)域的攔路虎,為航空制造領(lǐng)域提供高性能、低成本的復(fù)合材料,不斷滿足現(xiàn)代化的要求。