非熱壓罐成型技術(shù)在通用飛機(jī)的應(yīng)用發(fā)展

曾小苗，張博明，殷莎

(1.中航通用研究院有限公司，廣東珠海519040)(2.北京航空航天大學(xué)，北京100191)

非熱壓罐成型技術(shù)在通用飛機(jī)的應(yīng)用發(fā)展

曾小苗1，張博明2，殷莎2

(1.中航通用研究院有限公司，廣東珠海519040)(2.北京航空航天大學(xué)，北京100191)

非熱壓罐預(yù)浸料技術(shù)(OOA)和RTM液體成型技術(shù)是兩種很有發(fā)展前景的復(fù)合材料低成本成型技術(shù)，本文主要論述了非熱壓罐預(yù)浸料技術(shù)和液體成型技術(shù)的特點(diǎn)，國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，現(xiàn)有貨架產(chǎn)品及特點(diǎn)，為通用飛機(jī)復(fù)合材料選材提供參考。

低成本;非熱壓罐預(yù)浸料技術(shù);RTM成型技術(shù);預(yù)浸料

1 非熱壓罐技術(shù)概述

非熱壓罐成型技術(shù)是在航空制件中低成本復(fù)合材料成型技術(shù)，主要有非熱壓罐預(yù)浸料技術(shù)和液體成型技術(shù)。非熱壓罐預(yù)浸料技術(shù)(Out of autoclave，即OOA)因?yàn)楦咏趥鹘y(tǒng)的熱壓罐成型工藝，有著廣泛的手工鋪貼和自動(dòng)鋪貼的工藝基礎(chǔ)，因而被視為最有可能大規(guī)模實(shí)現(xiàn)的非熱壓罐成型技術(shù)。

液體成型技術(shù)是一種低成本、高質(zhì)量的半機(jī)械化纖維/樹脂浸潤方法，為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量可對成型模具加熱處理，RTM工藝中的增強(qiáng)材料預(yù)成形體，可根據(jù)性能要求，進(jìn)行擇向增強(qiáng)、局部增強(qiáng)、混雜增強(qiáng)以及采用預(yù)埋及夾芯結(jié)構(gòu)，可充分發(fā)揮復(fù)合材料性能可設(shè)計(jì)性，因而在未來的發(fā)展中，RTM技術(shù)以其低成本、高質(zhì)量、高效率的設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)和先進(jìn)的工藝形式應(yīng)用于通用飛機(jī)領(lǐng)域，并且將成為21世紀(jì)初復(fù)合材料領(lǐng)域的主導(dǎo)工藝之一，是一種最有發(fā)展前途的工藝。

2 非熱壓罐預(yù)浸料技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展

非熱壓罐預(yù)浸料技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):

1)可確保均勻的樹脂分布，并避免灌注過程中常見的干點(diǎn)和富樹脂區(qū);

2)可在較低的壓力和溫度下固化;

3)成型模具要求相對熱壓罐成型模具大大降低，對成型工具和部件的熱膨脹系數(shù)(CTE)之間的不匹配性在較低的溫度下也更小一些，因而更容易掌控產(chǎn)品的質(zhì)量;

4)非常適合復(fù)合材料零件修補(bǔ)。

非預(yù)浸料的問世避免了一度成為標(biāo)準(zhǔn)工藝的、冗長的手工濕法手糊工藝，并且可以改善產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，同時(shí)避免了使用高成本的熱壓罐固化既可以加快生產(chǎn)速度、節(jié)約成本，又可以使產(chǎn)品保持與熱壓罐工藝相同質(zhì)量。非熱壓罐預(yù)浸料技術(shù)成為復(fù)合材料行業(yè)的新寵，在最近10年得到了快速發(fā)展。因?yàn)樵摬牧铣尚蜔o需熱壓罐高壓，只需通過真空壓力即可。高性能的復(fù)合材料制件使用熱壓罐的一個(gè)重要原因是向預(yù)浸料提供足夠的壓力，大于固化過程中的任何氣體的蒸汽壓，以此抑制孔隙的生成，而這正是OOA預(yù)浸料技術(shù)需要突破的主要難點(diǎn)，能否在真空壓力下控制制件孔隙率，并使其性能達(dá)熱壓罐固化層壓板的性能，成為評價(jià)OOA預(yù)浸料及其成型工藝優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在OOA預(yù)浸料材料體系孔隙率都能達(dá)到2%左右，像ACG公司的MTM44-1和MTM45-1，Cytec公司的CYCOM 5230-1，Hexcel公司的HexPly M56孔隙率都小于1%，與熱壓罐成型材料性能相當(dāng)。

隨著OOA預(yù)浸料技術(shù)日趨穩(wěn)定成熟，越來越多的復(fù)合材料通用飛機(jī)都采用OOA預(yù)浸料技術(shù)。國外中小型全復(fù)合材料通用飛機(jī)基本上都采用OOA預(yù)浸料技術(shù)，美國西銳公司SR20，SR22系列飛機(jī)采用Toray公司7781/2510和T700/2510 OOA預(yù)浸料體系，中溫固化爐成型。美國西銳公司SF50飛機(jī)采用Tencate公司的TR50S/TC275和HTS40E13/ TC275OOA預(yù)浸料體系，中溫固化爐成型。美國EPIC公司飛機(jī)采用Toray公司T700/2510 OOA預(yù)浸料體系，中溫固化爐成型。龐巴迪研制的全復(fù)合材料飛機(jī)里爾85采用Cytec公司的IM7/ CYCOM5320-1 OOA預(yù)浸料體系，高溫固化爐成型等。

目前，OOA預(yù)浸料體系一般都可分階段固化，即在較低溫度下預(yù)固化，一般是100℃以下在成型工裝中預(yù)固化，預(yù)固化之后可以進(jìn)行后續(xù)切割，鉆孔和裝配，裝配完后再進(jìn)爐進(jìn)行1或2小時(shí)的后固化，提高零件Tg值及性能。這是產(chǎn)業(yè)化OOA預(yù)浸料體系的發(fā)展趨勢，可以降低零件成型工裝要求，降低工裝成本，因?yàn)榱慵某尚蜏囟仍礁邔ぱb的要求越高，成本也就越高。提高模具使用效率，提高零件的生產(chǎn)效率，降低整個(gè)產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的競爭力。

OOA預(yù)浸料體系分為低溫成型，中溫成型，180℃以上高溫后固化成型，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇可獲得不同的性能及TTg值。低溫成型OOA預(yù)浸料體系主要用于無人機(jī)結(jié)構(gòu)，汽車工業(yè)，飛機(jī)修補(bǔ)領(lǐng)域。中溫成型OOA預(yù)浸料體系主要用于輕型復(fù)合材料飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)，飛機(jī)修補(bǔ)領(lǐng)域，工裝材料。180℃以上后固化成型OOA預(yù)浸料體系可用于民用飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)，熱壓罐成型工裝材料。Park公司在中低溫預(yù)浸料有非常完整的產(chǎn)品體系，在工業(yè)和小型通用飛機(jī)領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。國外為了促進(jìn)復(fù)合材料在通用飛機(jī)上的應(yīng)用，Toray公司T700S/ 2510系列預(yù)浸料與Park公司的T700/E-765系列預(yù)浸料就與FAA一起做過材料的鑒定試驗(yàn)，并納入了AGATE材料目錄，來降低通用飛機(jī)復(fù)合材料取證試驗(yàn)費(fèi)用，縮短飛機(jī)取證時(shí)間。表1和表2是國外通用飛機(jī)應(yīng)用較多OOA預(yù)浸料體系。

表1 中溫固化OOA預(yù)浸料體系貨架產(chǎn)品

表2 180℃后固化OOA預(yù)浸料體系貨架產(chǎn)品

中溫固化OOA預(yù)浸料體系，Tg值一般120℃以上，很多都采用了T700 12k的碳布，中強(qiáng)標(biāo)模，能滿足大部分中小型通用飛機(jī)的性能要求，又能降低材料成本，國外中小型飛機(jī)采用較多。180℃高溫后固化OOA預(yù)浸料體系，Tg值一般180℃以上，碳布都采用了中模高強(qiáng)的，180℃高溫后固化預(yù)浸料體系的固化后零件孔隙率都小于1%，性能可與熱壓罐成型相當(dāng)所以20噸以下的公務(wù)機(jī)翼梁、機(jī)身結(jié)構(gòu)和大型民機(jī)壁板都采用了180℃高溫后固化OOA預(yù)浸料體系，來降低飛機(jī)制造成本。

鑒于OOA預(yù)浸料技術(shù)的優(yōu)勢及國外應(yīng)用發(fā)展形勢，國內(nèi)近年來也開發(fā)了不少OOA預(yù)浸料產(chǎn)品，表3是國內(nèi)幾種OOA預(yù)浸料產(chǎn)品。

百合航太復(fù)材公司的預(yù)浸料主要為內(nèi)飾和地板結(jié)構(gòu)開發(fā)，阻燃性能好，能滿足阻燃要求。威海光威復(fù)材公司的OOA預(yù)浸料在汽車，風(fēng)機(jī)葉片上有應(yīng)用，其它國內(nèi)航空級的OOA預(yù)浸料只在一些驗(yàn)證試驗(yàn)件上應(yīng)用，因?yàn)閲鴥?nèi)OOA預(yù)浸料應(yīng)用還在試驗(yàn)室試驗(yàn)階段。

表3 國內(nèi)OOA預(yù)浸料體系貨架產(chǎn)品

國內(nèi)首款采用全復(fù)合材料的輕型公務(wù)機(jī)AG300采用的OOA預(yù)浸料是國外Toray公司的T700S-12K-31E/#2510和T700S-12K-50C/#2510預(yù)浸料體系，目前正在進(jìn)行適航取證，因此國內(nèi)的航空級OOA預(yù)浸料還沒有在飛機(jī)型號上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

3 液體成型技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展

RTM工藝是樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形技術(shù)(Resin Transfer Molding，RTM)的簡稱，是一種閉模成形工藝，增強(qiáng)體與樹脂的浸潤是由帶壓樹脂在密閉模腔中快速流動(dòng)而完成，非手糊和噴射工藝中的手工浸潤，又非預(yù)浸料工藝和SMC工藝中的昂貴機(jī)械化浸潤，是一種低成本、高質(zhì)量的半機(jī)械化纖維/樹脂浸潤方法。它的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠制造高纖維體積含量的大型復(fù)雜構(gòu)型的零件，并保持較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率。樹脂模塑成形(RTM)工藝機(jī)理其實(shí)很簡單，就是在一定溫度條件下，施加外加壓力和輔助真空，將低黏度的樹脂注入閉合模腔內(nèi)以浸滲干態(tài)的纖維預(yù)成形體(Preform)，然后通過階梯性的加熱逐步引發(fā)樹脂內(nèi)部的交聯(lián)反應(yīng)，最后固化出成形制品。具體的過程主要有:①纖維預(yù)成形體的制作(Preform);②纖維預(yù)成形體鋪放(Draping);③樹脂注射(Injection);④樹脂固化成形(Cure);⑤制件的脫模和后處理(Demould)。

RTM工藝之所以能夠呈現(xiàn)出如此強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢，存在著優(yōu)于其它工藝的技術(shù)優(yōu)勢，其主要優(yōu)勢如下:

1)RTM成形工藝，采用了與制品形狀相近的增強(qiáng)材料預(yù)成形體技術(shù)，纖維/樹脂的浸潤一經(jīng)完成后即可進(jìn)行固化，因此可采用低粘度快速固化樹脂體系，并可對RTM模具加熱，而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2)RTM成形工藝中的增強(qiáng)材料預(yù)成形體，可由短切氈，連續(xù)纖維氈，纖維布，無皺折織物，三維針織物以及三維編織物等制備。并可根據(jù)性能要求，進(jìn)行擇向增強(qiáng)、局部增強(qiáng)、混雜增強(qiáng)以及采用預(yù)埋及夾芯結(jié)構(gòu)，可充分發(fā)揮復(fù)合材料性能可設(shè)計(jì)性。

3)RTM成形工藝的閉模樹脂注入方法可極大減少樹脂有害成分對人體和環(huán)境的毒害，滿足先進(jìn)工業(yè)國家對苯乙烯等有害氣體揮發(fā)濃度越來越嚴(yán)格的限制。

RTM成形工藝一般采用低壓注射工藝(注射壓力＜4 kg/cm)，有利于制備大尺寸，復(fù)雜外形，兩面光潔的復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)。

4)RTM模具可根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的要求選擇聚醋模，環(huán)氧模，表面鍍鎳材料模具，合金模鋁模以及鋼模同檔次模具，最大程度降低成本。

復(fù)合材料液體成型已是十分普及的工藝，包括各種派生的RTM技術(shù)，RTM、真空輔助RTM(VARTM)、真空輔助樹脂注射成型(VARI)、樹脂膜熔浸成型(RFI)和樹脂浸漬成形(SCRIMP)被稱為RTM的5大主要成型工藝，也是目前應(yīng)用最多的RTM工藝。

國外在航空領(lǐng)域已對RTM技術(shù)開展了大量研究及型號應(yīng)用工作，Boeing公司用編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)/ RTM技術(shù)制造了“J”形骨架。道格拉斯公司采用縫合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體/RTM技術(shù)研制了機(jī)翼和機(jī)身蒙皮。對于這種帶加筋結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，比一般傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型技術(shù)(預(yù)浸料/熱壓罐法)加工時(shí)間減少50%以上，且能提高復(fù)合材料的抗沖擊性能，改善制件加強(qiáng)筋和蒙皮之間的整體性。空中客車公司利用RTM技術(shù)批量生產(chǎn)A321發(fā)動(dòng)機(jī)吊架尾部整流錐，和模壓技術(shù)相比，獲得了生產(chǎn)成本降低30%的效果。BP高級材料公司使用RTM技術(shù)成型了具有蜂窩式芯型結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)雜幾何體形狀的波音757推進(jìn)器轉(zhuǎn)向風(fēng)門。A380復(fù)合材料球面框，波音787飛機(jī)尾翼、舵面蒙皮都采用RTM成型。預(yù)計(jì)在未來5年中，RTM在歐洲將會(huì)以每年12%的速度穩(wěn)步增長，在美國過去10年中RTM的增長率為每年20～25%，據(jù)美國SPI學(xué)會(huì)預(yù)測，今后5年中年增長率將提高到30～32%。表4是國外民用飛機(jī)應(yīng)用較多幾種高性能RTM樹脂體系。

國外的RTM成型技術(shù)研究和應(yīng)用較成熟，從軍機(jī)已經(jīng)過渡到了民機(jī)上，像A380飛機(jī)復(fù)合材料球面框，波音787飛機(jī)尾翼、舵面蒙皮等都采用RTM成型技術(shù)，俄羅斯的MS-21干線客機(jī)采用Prism EP2400樹脂首次用RTM工藝制造了復(fù)合材料中央翼盒，及機(jī)翼蒙皮壁板。赫氏公司的RTM6-2樹脂，氰特公司的Cycom890，Prism EP2400樹脂等都是粘度低，開放時(shí)間長，性能優(yōu)異的RTM成型樹脂。

表4 國外主要RTM樹脂貨架產(chǎn)品

鑒于RTM成型技術(shù)的優(yōu)勢及國外應(yīng)用發(fā)展形式，國內(nèi)近年來也開發(fā)了不少RTM樹脂產(chǎn)品，表5是國內(nèi)幾種RTM樹脂產(chǎn)品。

表5 國內(nèi)幾種RTM樹脂貨架產(chǎn)品

RTM成型方法在國內(nèi)還沒有真正得到推廣應(yīng)用，國內(nèi)像江蘇恒神復(fù)材公司的一些液體成型樹脂在汽車，輪船和建筑等行業(yè)已有應(yīng)用，在航空產(chǎn)品上還處在開發(fā)試驗(yàn)階段，其它公司的RTM成型樹脂也都處在工藝模索，試驗(yàn)階段。像百合航太公司的BAC170、BAC172樹脂是一種單組份，低粘度灌注樹脂，灌注粘度在100cps一下，操作性好，正在積極進(jìn)行型號應(yīng)用研究試驗(yàn)。中航復(fù)材公司的RTM樹脂也進(jìn)行過很多試驗(yàn)研究工作，但對于型號應(yīng)有還不夠成熟。而且國內(nèi)對于預(yù)成型體的設(shè)計(jì)制造水平還有待提高，但從國外民機(jī)RTM成型應(yīng)用發(fā)展趨勢來看，RTM成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)越來越被推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

非熱壓罐成型技術(shù)是低成本復(fù)合材料研究和發(fā)展方向。國外的復(fù)合材料通用飛機(jī)大部分采用非熱壓罐預(yù)浸料技術(shù)(OOA)，國外的OOA預(yù)浸料也已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，有型號應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)的復(fù)合材料輕型飛機(jī)上也在應(yīng)用OOA預(yù)浸料技術(shù)，國產(chǎn)的OOA預(yù)浸料也在逐步發(fā)展。但大型民用飛機(jī)復(fù)合材料還主要采用熱壓罐成型技術(shù)。

液體成型技術(shù)在國外發(fā)展的比較成熟和迅速，從軍機(jī)已經(jīng)過渡到了民機(jī)應(yīng)用上，很多大型民用飛機(jī)復(fù)合材料都采用了RTM成型技術(shù)，RTM成型技術(shù)由于可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，零件的整體化更高因而更受青睞。復(fù)合材料通用飛機(jī)目前采用RTM成型技術(shù)還較少，主要原因工藝設(shè)計(jì)水平要求較高，前期工藝摸索投入成本較高，后期隨著設(shè)計(jì)水平材料和工藝的提高改進(jìn)，在通用飛機(jī)應(yīng)用會(huì)越來越廣。

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The Out-of-autoclave Molding Technology in the Application of General Aircraft Development

ZENG Xiaomiao1，ZHANG Boming2，YIN Sha2
(1.CHINA AVIATION INDUSTRY GENERAL AIRCRAFT INSTITUTE Co.Ltd，GUANGONG，ZHUHAI 519040)
(2.Beijing University of Aeronautics and Astronautics，BEIJING 100191)

Out-of-autoclave(OOA)prepreg and RTM are two promising composite low-cost forming technology.This paper mainly deals with the characteristic of OOA prepreg and RTM forming technology，development situation at home and abroad，existing shelf products and performance characteristics，to provide reference for the general aircraft composite material selection.

low-cost forming;out-of-autoclave(OOA);RTM technology;prepreg

2016-06-07)

工信部課題《通用飛機(jī)筒形復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)機(jī)身設(shè)計(jì)技術(shù)研究》(工信部聯(lián)裝【2015】391號)

曾小苗(1977-)，女，江西人，碩士，高級工程師。研究方向:復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

E-mail:zengxiaomiao10@sina.com.