第28卷第6期 中国材料进展 Voll 28 Nol6 2009年6月 MATERIALS CH INA Jun12009 特约专栏 先进树脂基复合材料技术发展及应用现状 陈祥宝,张宝艳,邢丽英 (中航工业北京航空材料研究院,北京100095) 摘要:简要介绍了先进树脂基复合材料的特性,从应用的角度总结了先进树脂基复合材料体系、主要成型技术的发展现状 和趋势,回顾了先进树脂基复合材料在航空工业的应用历程,介绍了低温固化和电子束固化复合材料、结构殿波复合材料和 纳米复合材料的最新研究进展,最后依据国内航空装备发展的需求,讨论分析了国内先进树脂基复合材料的发展重点 关键词:树脂基复合材料;航空应用;发展现状 中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:1674-3962(2009)06-0002-011 app lication and developm ent of advanced Polmer m atr ix Cam posites (Beijing hnst itu te ofAeranaut icalMateria b Be ijing 10009 ching ChEN X angbag ZHANG Baoyan XING L Abs tract The characters of advanced polmer m atr x cam posite were briefly i troduced From the app licat ion pont of view a summ ary of such m aterials as well as the current siuatn and iure development of he ir ma prmanu facturing processes were gien The applicatin history of advanced polymer matrx com posites in av iat in ndustry was reviewed and the latest research results of the bw tem perature cur ng cam pos ites E2bean technology curng com posites m c2 wave absorb ng struc u re cam pos ites and nand2camposites we re reported F nall the developm ent emphasis of advanced polymer m atrix campos ites was analyzed and d scussed based on the requ irem en ts of dam estr aircraft deve bement Key words: polymerm atrx com pos ite aeronaut app Icatian deve bement h story 前言 2500 先进树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、2000 qp=60% 高性能连续纤维为增强材料、通过复合工艺制备而成 具有明显优于原组分性能的一类新型材料2。目前广 CFRP-Ql 泛应用的先进树脂基复合材料主要包括高性能连续纤维 CFRP-UD 增强环氧、双马和聚酰亚胺复合材料。先进树脂基复合 (=60%CFRP-QI =60% 材料具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计 =60% 性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特 9= ouse content of liber 点,已经成为继铝合金、钛合金和钢之后的最重要航空 结构材料之一4。先进树脂基复合材料在飞机上的应 用,可以实现13‰。~30‰减重效益,这是使用其它材 by carbon fiber 料所不能实现的。因此先进树脂基复合材料的用量已 125 经成为航空结构先进性的重要标志5。图1为先进树 Specific Modulus/GPa.m'k 脂基复合材料和铝合金、钛合金等轻质金属材料的比强图1先进树脂基复合材料和轻质金属材料的比强度和比模量 度和比模量。 Fel 1 Specifr strength and m adu ls of polymer matrix cam posites and a lmnum alloy titan um alby 收稿日期:200906-03 先进树脂基复合材料在性能、设计、制造方面有别 通信作者:陈祥宝,男,1956年生,博士,教授,博士生导师于传统材料的基本特点,主要体现在复合效应、性能的
第 28卷 第 6期 2009年 6月 中国材料进展 MATER IALS CH INA Vol128 No16 Jun12009 特约专栏 收稿日期: 2009- 06 - 03 通信作者: 陈祥宝, 男, 19 56年生, 博士, 教授, 博士生导师 先进树脂基复合材料技术发展及应用现状 陈祥宝, 张宝艳, 邢丽英 (中航工业北京航空材料研究院, 北京 100095) 摘 要: 简要介绍了先进树脂基复合材料的特性, 从应用的角度总结了先进树脂基复合材料体系、主要成型技术的发展现状 和趋势, 回顾了先进树脂基复合材料在航空工业的应用历程, 介绍了低温固化和电子束固化复合材料、结构 /吸波复合材料和 纳米复合材料的最新研究进展, 最后依据国内航空装备发展的需求, 讨论分析了国内先进树脂基复合材料的发展重点。 关键词: 树脂基复合材料; 航空应用; 发展现状 中图分类号: TB383 文献标识码: A 文章编号: 1674- 3962( 2009) 06- 0002- 011 App lica tion and Developm ent of Advanced Polym er M a tr ix Com posites CHEN X iangbao, ZHANG Baoyan, XING Liying ( Be ijing Institute ofAeronauticalMa teria ls, Be ijing 100095, Ch ina) Ab stra c:t The characters of advanced polymerm atrix composite were briefly in troduced. From the app lication point of view, a summ ary of such ma teria ls, as we ll as the current situa tion and fu ture development of the irma jormanu facturing processes, were given. The applica tion history of advanced polymermatrix composites in aviation industry was reviewed, and the latest research results of the low temperature curing composites, E2beam technology cu ring composites, m ic ro2 wave absorb ing struc tu re composites, and nano2composites we re reported. F ina lly the developmen t emphasis of advanced polymerma trix composite s was analyzed and d iscussed based on the requ iremen ts of domestic a ircraft deve lopment. Ke y words: polyme rmatrix composite; aeronau tic app lication; deve lopment h istory 1 前 言 先进树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、 高性能连续纤维为增强材料、通过复合工艺制备而成, 具有明显优于原组分性能的一类新型材料 [ 1- 2]。目前广 泛应用的先进树脂基复合材料主要包括高性能连续纤维 增强环氧、双马和聚酰亚胺复合材料。先进树脂基复合 材料具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计 性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特 点, 已经成为继铝合金、钛合金和钢之后的最重要航空 结构材料之一 [ 3- 4]。先进树脂基复合材料在飞机上的应 用, 可以实现 15% ~ 30% 减重效益, 这是使用其它材 料所不能实现的。因此, 先进树脂基复合材料的用量已 经成为航空结构先进性的重要标志 [ 3- 5]。图 1为先进树 脂基复合材料和铝合金、钛合金等轻质金属材料的比强 度和比模量。 图 1 先进树脂基复合材料和轻质金属材料的比强度和比模量 Fig1 1 Sp ecific strength and modu lus of polymer matrix composites and a luminum alloy, titan ium alloy 先进树脂基复合材料在性能、设计、制造方面有别 于传统材料的基本特点, 主要体现在复合效应、性能的
第6期 陈祥宝等:先进树脂基复合材料技术发展及应用现状 可设计性、多功能兼容性和材料与构件制造的同步 本文主要介绍先进树脂基复合材料体系和制造技 性等。 术、新型复合材料技术的发展以及在航空领域的应用现 复合效应:复合材料中增强体和基体各保持其基本状,并依据航空装备发展的需求,讨论分析国内先进树 特性,通过界面相互作用实现叠加和互补,使复合材料脂基复合材料的主要发展方向 产生优于各组分材料的新的、独特的性能。 性能的可设计性:复合材料的可设计性主要表现为 2先进树脂基复合材料体系 可通过改变材料组分、结构、工艺等调控复合材料性 自从上世纪60年代先进树脂基复合材料得到应用 能,赋予复合材料性能设计以极大的自由度。以及可以以来,为了满足飞机、导弹以及航空发动机发展对先进 按照工程结构的使用要求,选择适当的组分材料和调整树脂基复合材料使用温度的需求,在环氧(EP)复合材 增强纤维的取向,使设计的结构重量轻,安全可靠和经料的基础上,发展了双马(MI复合材料和耐高温聚酰 济合理。 亚胺(PD复合材料。目前作为轻质高效结构材料应用的 多功能兼容性:当对复合材料构件有多种功能要求先进树脂基复合材料主要包括130e以下长期使用的环 时,可增减某种组分,从而在满足主要功能要求的同时氧复合材料体系、150~230e长期使用的MI复合材 又能兼顾其它功能要求。 料体系,260e以上使用的P愎复合材料体系。表1列出 材料与构件制造的同步性:与一般传统材料产品不了国内外常用的典型高性能EP、BMI和PI树脂基复合 同,复合材料产品不是经机械加工制造,而是构件成型材料的主要力学性能、使用温度和冲击后压缩强度 与材料制造同时完成。 CAI). 表1部分高性能环氢、BMI和P树脂基复合材料 Ta bb 1 Some o f te hgh pe rbm ance EP, BMI and P I com pos it Ten sile Tens ile Service Material system MP AGPa strength tmper2 CA IMPa Suppl er ature /e MPa Epoxy 977. 3/M7 CYTEC Engne nbt duct Fusehge w ng cm posite 8552/AS4 He leaper body structure 5228A/CCF3001549 BIAM Horiontal stb lilies Ver cal t il 5228T500 BIAM M issile part 916CCF3001560 BAMIR I Horizntal stblilier Vert cal a il 3261/T300 Helicap ter robr Bim alem de 5250-4/M7 2618 CYTEC Fuselage Wng Vertcal tail can po 5260/M7 380 CYTEC B IAM 5428CCF300 Gw300/700 ARMPI M ES il nstrument capsu b Poly m de R-15/M7 2458 144 NASA LEy s Engine by2passaduct case AFR.700/M72625 160 NASA Langley Engine blade LP. 15/AS4 BIAM Engne split ring KH304/3001320 BA360/T300 MPI/T300 1275 119 370 B IAM V ectorng exaust nozzle flap Notes BLAM) Beijing Institu te of A ermnautcal M ater als BAMTRI Beijng A eronautEal M anufactur ng Technology Research Institu te ARMPD Aerospace Research Institu te ofM ater a ls& processing Technology, CAS2Institute of chem stry CAS
第 6期 陈祥宝等: 先进树脂基复合材料技术发展及应用现状 可设计性、多功能兼容性和材料与构件制造的同步 性等。 复合效应: 复合材料中增强体和基体各保持其基本 特性, 通过界面相互作用实现叠加和互补, 使复合材料 产生优于各组分材料的新的、独特的性能。 性能的可设计性: 复合材料的可设计性主要表现为 可通过改变材料组分、结构、工艺等调控复合材料性 能, 赋予复合材料性能设计以极大的自由度。以及可以 按照工程结构的使用要求, 选择适当的组分材料和调整 增强纤维的取向, 使设计的结构重量轻, 安全可靠和经 济合理。 多功能兼容性: 当对复合材料构件有多种功能要求 时, 可增减某种组分, 从而在满足主要功能要求的同时 又能兼顾其它功能要求。 材料与构件制造的同步性: 与一般传统材料产品不 同, 复合材料产品不是经机械加工制造, 而是构件成型 与材料制造同时完成。 本文主要介绍先进树脂基复合材料体系和制造技 术、新型复合材料技术的发展以及在航空领域的应用现 状, 并依据航空装备发展的需求, 讨论分析国内先进树 脂基复合材料的主要发展方向。 2 先进树脂基复合材料体系 自从上世纪 60年代先进树脂基复合材料得到应用 以来, 为了满足飞机、导弹以及航空发动机发展对先进 树脂基复合材料使用温度的需求, 在环氧 ( EP )复合材 料的基础上, 发展了双马 ( BM I)复合材料和耐高温聚酰 亚胺 ( P I)复合材料。目前作为轻质高效结构材料应用的 先进树脂基复合材料主要包括 130 e 以下长期使用的环 氧复合材料体系、150~ 230 e 长期使用的 BM I复合材 料体系, 260 e 以上使用的 P I复合材料体系。表 1列出 了国内外常用的典型高性能 EP、BM I和 P I树脂基复合 材料的主要力学性能、使用温度和冲击后压缩强度 ( CAI)。 表 1 部分高性能环氧、BMI和 P I树脂基复合材料 Ta b le 1 Some o f the h ig h pe rfo rm an ce EP, BMI a nd P I comp os ite Material system Ten sile strensth /MPa T ensile modulus /GPa Short b ean shear strength /MPa Service temper2 ature /e CA I/MPa Supplier App lication Epoxy composite 977 - 3 /IM7 2 510 162 125 130 220 CYTEC E ngin e in let du ct, Fu selage, W ing 8552 /AS4 2 100 140 115 120 230 H excel H e licopter body stru cture 5 228A /CCF3 00 1 549 134 105 120 250 BIAM H orizontal stab lilizer, Vertical ta il 5 228 /UT 500 2 400 130 100 130 230 BIAM Missile part 9916 /CCF300 1 560 130 100 120 280 BAMTR I H orizontal stab lilizer, Vertical ta il 3261 /T300 1 520 127 82 80 190 BIAM H elicop ter rotor Bismale2im ide composite 5250 - 4 /IM7 2 618 162 139 177 248 CYTEC Fuselage, W ing, V ertica l tail 5260 /IM7 2 690 165 159 177 380 CYTEC W ing, V ertical tail 5429 /T700 2 710 140 99 150 290 BIAM Fuselage, Cargo door QY89 11 /T300 1 593 132 113 150 178 BAMTR I Outer w ing, Fuselage, V ertical tail 5428 /CCF300 1 988 145 110 170 260 BIAM H orizon tal stab lilizer GW300 /T700 1 920 125 100 260 190 AR IMPI M issile in strumen t capsu le Poly im ide composite PMR- 15 /IM7 2 458 144 104 316 180 NASA Lew is Engine by2pass2du ct case AFR- 700 / IM7 2 625 155 131 370 160 NASA Langley E ngine b lade LP- 15 /AS4 1 850 140 87 280 190 BIAM Engin e sp lit ring KH 304 /T30 0 1 320 135 108 310 185 CAS Eng ine by2p ass2du ct BA360 /T300 1 350 130 105 350 180 BAMTR I Eng ine by2p ass2du ct MPI/T30 0 1 275 119 83 370 - BIAM V ectoring exaust n ozzle flap Notes: BIAM) Beijing Institu te of A eronautica l M ateria ls, BAMTRI) Be ijing A eronautica l M anufacturing Te chnology Re search Institu te, ARIMPI) Aerospace Research Institu te ofM ateria ls& proce ssing Technology, CAS2Institute of chem istry, CAS 3
中国材料进展 第28卷 高性能环氧复合材料体系主要包括低温、中温和高技术、协同增韧技术)取得了明显的进步,具有一定的 温固化EP复合材料。高性能EP复合材料具有较好的技术优势。但在以下二个方面存在明显差距:一是国内 力学性能和韧性、耐环境性能以及优异的工艺性等特先进树脂基复合材料受到国内碳纤维性能的限制,国产 点,适用于制造大型飞机、直升机、无人机和通用飞机碳纤维增强复合材料的部分力学性能明显低于国外 的各类复合材料结构。F-22飞机进气道等内部结构、T80M7中模高强碳纤维增强复合材料,二是国内除 F-35飞机机身、机翼大部分外表面、民用飞机构件了韧性EPBM复合材料和第一代P1复合材料在直升 (如A380和B787飞机的机翼、尾翼)等,主要使用高机、歼击机和航空发动机上得到小批量应用外,高韧性 性能EP复合材料制造。 EP、高韧性BMI复合材料等都没有在大型飞机和歼击 HMI复合材料具有优良的耐高温、耐辐射、耐湿机上得到批量应用,缺乏实际应用的考核和经验积累 热、良好的工艺性等特点,主要用于军机使用温度高、材料成熟度低 复合 料,其中BM1复合材料用量为17y6,主要用于机翼、3先进树脂基复合材料制造技术 平尾、垂尾等承力结构。国内第三代和新型歼击机主要 依据不同类型的复合材料、不同形状的构件以及对 应用BM复合材料8。 构件质量和性能的不同要求,先进树脂基复合材料可采 P复合材料主要以MR型P复合材料为主,按照耐用不同的成型工艺。目前航空航天领域先进树脂基复合 热性分为28)~316ε,30~371e和400~420ε三代材料主要成型工艺包括:热压罐成型技术、RM成形 目前第三代P复合材料正在研制。耐高温PI复合材料主技术、缠绕成型技术、拉挤成型技术、热压成型技术 要应用于高性能航空发动机的冷端部件、高速飞行器和导自动铺放技术等。本节重点介绍复合材料制造中主要应 弹的短期耐热结构和功能结构。典型产品如发动机的外涵用且技术发展明显的热压罐成型技术、RM成型技术 和进气机匣、导弹头锥和进气道整流罩等。 和自动铺放技术的现状及最近的发展 先进飞机长寿命和损伤容限设计要求树脂基复合材311热压罐成型技术 料具有更高的韧性。为了提高复合材料韧性发展了各种 热压罐成型技术是目前国内外先进树脂基复合材料 增韧技术,从早期的橡胶、热塑性树脂本体增韧 最成熟的成型技术之一,复合材料机翼、尾翼等大量承 互穿网络增韧2,发展到目前的热塑性树脂/离位O力构件都采用热压罐成型技术制造。热压罐成型技术有 韧技术、热塑性超薄织物协同增韧技术.采用许多优点其它工艺无法完全替代:1于制备高纤维体积 /离位0和塑性超薄织物协同增韧技术增韧对复合材料含量复合材料,。固化温度场和压力场均匀,复合材料 其他性能影响很小,但冲击后压缩强度(CAD)能够达到构件质量和性能稳定性优异,》成型模具简单;%适于制 300MPa以上(图2,表明/离位0和协同增韧是高效的备较大面积、较复杂结构的高质量复合材料构件。但热压 增韧技术。 罐成型工艺同时存在能源消耗较大、设备投资成本较高以 及制件尺寸受热压罐尺寸限制等问题。自从上世纪60年 ▲5428CX 代以来,热压罐成型技术得到很大的发展,主要体现在整 AL 6421ES-RTM 体成型技术发展和融入大量自动化、数字化技术 图3照片示出了直径5m、长18m的大型热压罐。 ◇LP-15 86421RTM o Thermoplastic toughening A Synergistic toughening 150200250300350 图2不同技术增韧先进树脂基复合材料的韧性 Fd2 The toughne s of advanced polmer matrx camposites us ng different bughen ng echnology 从表1和图2可以看到,和国外相类似国内先进 图3<5m@l8m大型热压罐 树脂基复合材料已经形成体系,部分技术(如离位增韧 Fe3 <5m@18m hrge s ve autocave
中国材料进展 第 28卷 高性能环氧复合材料体系主要包括低温、中温和高 温固化 EP复合材料。高性能 EP复合材料具有较好的 力学性能和韧性、耐环境性能以及优异的工艺性等特 点, 适用于制造大型飞机、直升机、无人机和通用飞机 的各类复合材料结构。F- 22飞机进气道等内部结构、 F- 35飞机机身、机翼大部分外表面、民用飞机构件 (如 A380和 B787飞机的机翼、尾翼 )等, 主要使用高 性能 EP复合材料制造 [ 6]。 BM I复合材料具有优良的耐高温、耐辐射、耐湿 热、良好的工艺性等特点, 主要用于军机使用温度高、 承载大的复合材料构件, F - 22飞机应用 24% 复合材 料, 其中 BM I复合材料用量为 1712%, 主要用于机翼、 平尾、垂尾等承力结构。国内第三代和新型歼击机主要 应用 BM I复合材料 [ 7- 8]。 PI复合材料主要以 PMR型 PI复合材料为主, 按照耐 热性分为 280~ 316 e , 350~ 371 e 和 400~ 420 e 三代, 目前第三代 P I复合材料正在研制。耐高温 P I复合材料主 要应用于高性能航空发动机的冷端部件、高速飞行器和导 弹的短期耐热结构和功能结构。典型产品如发动机的外涵 和进气机匣、导弹头锥和进气道整流罩等 [9- 10]。 先进飞机长寿命和损伤容限设计要求树脂基复合材 料具有更高的韧性。为了提高复合材料韧性发展了各种 增韧技术, 从早期的橡胶、热塑性树脂本体增韧 [ 11]、 互穿网络增韧 [ 12] , 发展到目前的热塑性树脂 /离位 0增 韧技术 [13- 14]、热塑性超薄织物协同增韧技术 [ 15]。采用 /离位0和塑性超薄织物协同增韧技术增韧对复合材料 其他性能影响很小, 但冲击后压缩强度 ( CAI)能够达到 300MPa以上 (图 2), 表明 /离位 0和协同增韧是高效的 增韧技术。 图 2 不同技术增韧先进树脂基复合材料的韧性 F ig1 2 Th e toughness of advanced p olymer matrix composites using d ifferen t toughen ing technology 从表 1和图 2可以看到, 和国外相类似, 国内先进 树脂基复合材料已经形成体系, 部分技术 (如离位增韧 技术、协同增韧技术 )取得了明显的进步, 具有一定的 技术优势。但在以下二个方面存在明显差距: 一是国内 先进树脂基复合材料受到国内碳纤维性能的限制, 国产 碳纤维增强复合材料的部分力学性能明显低于国外 T800, IM7中模高强碳纤维增强复合材料; 二是国内除 了韧性 EP, BM I复合材料和第一代 PI复合材料在直升 机、歼击机和航空发动机上得到小批量应用外, 高韧性 EP、高韧性 BM I复合材料等都没有在大型飞机和歼击 机上得到批量应用, 缺乏实际应用的考核和经验积累, 材料成熟度低。 3 先进树脂基复合材料制造技术 依据不同类型的复合材料、不同形状的构件以及对 构件质量和性能的不同要求, 先进树脂基复合材料可采 用不同的成型工艺。目前航空航天领域先进树脂基复合 材料主要成型工艺包括: 热压罐成型技术、RTM 成形 技术、缠绕成型技术、拉挤成型技术、热压成型技术、 自动铺放技术等。本节重点介绍复合材料制造中主要应 用且技术发展明显的热压罐成型技术、RTM 成型技术 和自动铺放技术的现状及最近的发展。 311 热压罐成型技术 热压罐成型技术是目前国内外先进树脂基复合材料 最成熟的成型技术之一, 复合材料机翼、尾翼等大量承 力构件都采用热压罐成型技术制造。热压罐成型技术有 许多优点其它工艺无法完全替代: ¹于制备高纤维体积 含量复合材料; º固化温度场和压力场均匀, 复合材料 构件质量和性能稳定性优异; »成型模具简单; ¼适于制 备较大面积、较复杂结构的高质量复合材料构件。但热压 罐成型工艺同时存在能源消耗较大、设备投资成本较高以 及制件尺寸受热压罐尺寸限制等问题。自从上世纪 60年 代以来, 热压罐成型技术得到很大的发展, 主要体现在整 体成型技术发展和融入大量自动化、数字化技术 [ 16- 18]。 图 3照片示出了直径 5m、长 18m的大型热压罐。 图 3 < 5m @18 m大型热压罐 F ig1 3 < 5 m @18m large size autoclave 4
第6期 陈祥宝等:先进树脂基复合材料技术发展及应用现状 复合材料整体成型技术是采用热压罐共固化共胶接 技术,直接实现带梁、肋和墙的复杂结构一次性制造。 整体制造技术可大量减少零件、紧固件数目,从而提高 复合材料结构的应用效率,其主要优点:1减少零件数 目,提高减重效率,降低制造成本;°减少连接件数 目,降低装配成本;》减少分段和对接,构件表面无间 隙、无台阶,有利于降低RCS值,提高隐身性能。图4 是整体成型复合材料机翼壁板。 图4整体成型复合材料机翼壁板 Fig 4 The ntegral structure cm posite w ng panel 图5预浸料铺贴激光定位设备(a)和预浸料自动裁剪设备(b) Fgl 5 The aser locating device for prepreg by2up( a) and 热压罐成型技术从最初的铺贴、裁剪主要依靠手 prep reg au matic cu ttng machne(b) 工发展到和预浸料激光定位铺贴、自动裁剪等自动和环氧树脂体系。5250-4RM树脂在注射温度下粘度 化、数字化技术相结合,明显提高了预浸料铺贴、裁很低,用其制造F-22的正弦波梁(图6),制造费用减 剪的精度,进而提高了复合材料的制造效率和构件质少20%,减少了50的紧固件和加强件,5250-4RIM 量。热压罐成型技术的进一步发展将是和自动铺放技树脂已用于制造F22飞机上的200多个零件,并用于 术相结合,满足大型复合材料构件的高效优质制造的制造F117飞机发动机进气道格栅和空空导弹的雷达 需求。图5为预浸料铺贴激光定位(a)和自动裁剪设罩。PR500为单组分膏状树脂,固化温度为120e 备(b)的照片。 CA值达到234MPa疲劳性能好,F∥A-22上使用了 312RMM成型技术 100多个PR500RM/M7零件,用作驾驶舱支架、地板 树脂传递模塑( Res n Transfer M ouH ng RTM)成型加强肋和接头等。国内已经发展了环氧32665284和 技术是在压力注入或和外加真空辅助条件下,将具有M421QY8911-0等RM树脂体系,其中3266已 反应活性的低粘度树脂注入闭合模具中并排除气体,同经用于飞机螺旋桨桨叶,其它树脂体系正在歼击机和大 时浸润干态纤维结构,在完成浸润后,树脂通过加热引型飞机上进行验证考核P2。几种典型RM树脂基复合 发交联反应完成固化,得到复合材料构件。目前已经有材料的主要性能见表2 多种形式的RM如真空辅助RM(VARM)、压缩 RM(CRM)、树脂渗透模塑(SRMP)、真空滲透法 (VP)、结构反应注射模塑(RM)、真空辅助树脂注 射(VARI)等十多种方法2。RM制造技术适宜多品 种、中批量、高质量复合材料构件制造,具有公差小 表面质量高、生产周期短、生产过程自动化适应性强 生产效率高等优点 RM技术的关键之一是适于RM工艺的低粘度 长使用期、力学性能优异的树脂体系。5250-4RIM 图6RTM成型复合材料波形梁 BM树脂和R500RM环氧树脂是最典型的 RIM BMI Fi6 Cam posite wave fm beam manu factured by rIm process ng
第 6期 陈祥宝等: 先进树脂基复合材料技术发展及应用现状 复合材料整体成型技术是采用热压罐共固化共胶接 技术, 直接实现带梁、肋和墙的复杂结构一次性制造。 整体制造技术可大量减少零件、紧固件数目, 从而提高 复合材料结构的应用效率, 其主要优点: ¹减少零件数 目, 提高减重效率, 降低制造成本; º减少连接件数 目, 降低装配成本; »减少分段和对接, 构件表面无间 隙、无台阶, 有利于降低 RCS值, 提高隐身性能。图 4 是整体成型复合材料机翼壁板。 图 4 整体成型复合材料机翼壁板 Fig1 4 The in tegral structu re composite w ing panel 热压罐成型技术从最初的铺贴、裁剪主要依靠手 工发展到和预浸料激光定位铺贴、自动裁剪等自动 化、数字化技术相结合, 明显提高了预浸料铺贴、裁 剪的精度, 进而提高了复合材料的制造效率和构件质 量。热压罐成型技术的进一步发展将是和自动铺放技 术相结合, 满足大型复合材料构件的高效优质制造的 需求。图 5为预浸料铺贴激光定位 ( a)和自动裁剪设 备 ( b)的照片。 312 R TM成型技术 树脂传递模塑 ( Resin TransferM ou ld ing, RTM )成型 技术是在压力注入或 /和外加真空辅助条件下, 将具有 反应活性的低粘度树脂注入闭合模具中并排除气体, 同 时浸润干态纤维结构, 在完成浸润后, 树脂通过加热引 发交联反应完成固化, 得到复合材料构件。目前已经有 多种形式的 RTM, 如真空辅助 RTM ( VARTM )、压缩 RTM (CRTM )、树脂渗透模塑 ( SCR IMP )、真空渗透法 (VIP)、结构反应注射模塑 ( SR IM )、真空辅助树脂注 射 (VAR I)等十多种方法 [ 19- 21]。RTM 制造技术适宜多品 种、中批量、高质量复合材料构件制造, 具有公差小、 表面质量高、生产周期短、生产过程自动化适应性强、 生产效率高等优点。 RTM技术的关键之一是适于 RTM 工艺的低粘度、 长使用期、力学性能优异的树脂体系。 5250 - 4RTM BM I树脂和 PR500RTM 环氧树脂是最典型的 RTM, BM I 图 5 预浸料铺贴激光定位设备 ( a)和预浸料自动裁剪设备 ( b ) F ig1 5 The laser locating device for p rep reg lay2up ( a) and p rep reg au tomatic cu ttingmach in e ( b ) 和环氧树脂体系。5250- 4RTM 树脂在注射温度下粘度 很低, 用其制造 F- 22的正弦波梁 (图 6), 制造费用减 少 20% , 减少了 50%的紧固件和加强件, 5250 - 4RTM 树脂已用于制造 F- 22飞机上的 200多个零件, 并用于 制造 F- 117飞机发动机进气道格栅和空空导弹的雷达 罩。PR500为单组分膏状树脂, 固化温度为 120 e , CAI值达到 234MPa, 疲劳性能好, F /A- 22上使用了 100多个 PR500RTM /IM 7零件, 用作驾驶舱支架、地板 加强肋和接头等。国内已经发展了环氧 3266, 5284和 BM I6421, QY8911- Ô等 RTM 树脂体系, 其中 3266已 经用于飞机螺旋桨桨叶, 其它树脂体系正在歼击机和大 型飞机上进行验证考核 [22]。几种典型 RTM 树脂基复合 材料的主要性能见表 2。 图 6 RTM成型复合材料波形梁 F ig1 6 Composite waveform beam manu factured by RTM p rocessing 5
中国材料进展 第28卷 表2典型RM成型复合材料的主要性能 Tabb 2 Man prope rte s of te tpcaIRTM p Cess ng com pos tes 5250-4RM/M7 PR500/M7 K- 4H S Weave 6K- 4HS W eave 642 1/T300 3266G827QY8911-0/300 Long itud na l ten sile strengh MPa 1007 1670 1425 Long tud nal tens ile m odu lus/GPa 143 1050 ongitud nal fiexu ral strengthMP Longitud nal flex ral modu us/GPa 138124 Long em serve h ghest)tem perature /e A pp leaton w ng Spar Rh Radon e R ear edge regu la P rope lbr b bde M issile fiam BAMIR I RIM技术的另一关键是树脂流动过程模拟技术。拟,多种有限元网格剖分形式,注射口、溢料口位置、 通过树脂流动过程的数值模拟,可以了解树脂在模具内大小、方式等自主设定,可输出树脂流场和压力场,可 的流动状态,进而指导和优化模具设计,缩短硏制周以进行变滲透率模拟和变粘度场模拟的/先进树脂基复 期,提高成型质量。国内在RM树脂流动模拟技术方合材料模拟优化技术系统0叫。图7为带工字平板结构 面取得了很大的进步,建立了具有RIM工艺3D构件模二维RM流动模拟及其验证结果。 Pwan2002640224656 267+003 efault Fringe Max2.00+004@Nd89 图7带工字平板结枃RIM成型过程树脂流动模拟及验证结果 FEl 7 RIM process ng smuhtion and vald at on resu o he resn fhw wih/ 10 shape pate structure 313自动铺放技术 自动铺放技术的关键是自动铺放设备。波音公司 自动铺放技术包括预浸料自动铺带技术和纤维自动 C ncnatiMach ne公司与Cytc公司于上世纪70年代中 铺放技术,前者适合铺放形状相对比较简单的复合材料期联合研制自动铺带机1983年第一台商用铺带机进 构件,后者可以铺放形状复杂的复合材料整体结枃。自入生产领域,现已发展到第3代自动铺带机铺带时可 动铺带技术具有铺放效率高、纤维取向偏差小、铺层间自动加热,逐层压实,并带有激光控制铺带定位系 隙控制精度高以及材料利用率高等优点,已广泛应用于统。南京航空航天大学在2006年研制了自动铺带和 复合材料机翼壁板、尾翼壁板等大型复合材料构件的制铺丝原理样机之后又发展了工程样机。北京航空制造 图8表示自动铺放技术的铺放效率 工程研究所通过国际合作,高起点的研制复合材料自动
中国材料进展 第 28卷 表 2 典型 RTM 成型复合材料的主要性能 Tab le 2 Ma in p rop e rtie s o f the typ ica lRTM p ro cess ing comp os ites Prop erties 5250- 4RTM / IM7 - 6K - 4H SW eave PR500 /IM7 - 6K- 4H SW eave 642 1 /T300 3266 /G827 QY891 1- Ô /T3 00 Long itud ina l ten sile strength /MPa 681 1007 1670 16 39 1425 Long itud inal tensile modu lus/GPa 76 83 143 - 137 Longitu dinal compressive streng th /MPa 847 758 - 10 50 1188 Longitud inal fiexu ral strength /MPa 1103 1103 1730 15 80 1830 Lon gitud in al flexu ralmodu lu s/GPa 72. 4 73 138124 Sh ort b eam shear strength /MPa 821 8 81 92 8 5 98 Compression strength after impact/MPa 220 317 - - 175 Long term service( h ighest) temperatu re /e 177 121 150 7 0 150 A pp lication W ing Sp ar, R ib, Radom e F rame, Vertical tail sp ar /rib R ear edge regu la P rope ller b lad e M issile frame Supp lier Cytec 3M BIAM BIAM BAMTR I RTM 技术的另一关键是树脂流动过程模拟技术。 通过树脂流动过程的数值模拟, 可以了解树脂在模具内 的流动状态, 进而指导和优化模具设计, 缩短研制周 期, 提高成型质量。国内在 RTM 树脂流动模拟技术方 面取得了很大的进步, 建立了具有 RTM 工艺 3D构件模 拟, 多种有限元网格剖分形式, 注射口、溢料口位置、 大小、方式等自主设定, 可输出树脂流场和压力场, 可 以进行变渗透率模拟和变粘度场模拟的 /先进树脂基复 合材料模拟优化技术系统 0 [ 23]。图 7为带工字平板结构 二维 RTM流动模拟及其验证结果。 图 7 带工字平板结构 RTM成型过程树脂流动模拟及验证结果 F ig1 7 RTM processing simu lation and valid ation resu lt o f th e resin flow w ith / I0 shap e p late stru cture 313 自动铺放技术 自动铺放技术包括预浸料自动铺带技术和纤维自动 铺放技术, 前者适合铺放形状相对比较简单的复合材料 构件, 后者可以铺放形状复杂的复合材料整体结构。自 动铺带技术具有铺放效率高、纤维取向偏差小、铺层间 隙控制精度高以及材料利用率高等优点, 已广泛应用于 复合材料机翼壁板、尾翼壁板等大型复合材料构件的制 造 [ 24- 25]。图 8表示自动铺放技术的铺放效率。 自动铺放技术的关键是自动铺放设备。波音公司、 C incinatiMach ine公司与 Cytec公司于上世纪 70年代中 期联合研制自动铺带机, 1983年第一台商用铺带机进 入生产领域, 现已发展到第 3代自动铺带机, 铺带时可 自动加热, 逐层压实, 并带有激光控制铺带定位系 统 [ 25]。南京航空航天大学在 2006年研制了自动铺带和 铺丝原理样机, 之后又发展了工程样机。北京航空制造 工程研究所通过国际合作, 高起点的研制复合材料自动 6