先进复合材料结构RTM技术现状及发展.pdf

先进复合材料结构RTM技术现状及发展 段 宝 杨亚文 王雅杰 沈阳航空工业学院飞行器制造工程系 沈阳航空工业学院计算中心 摘 要 树脂转移模塑工艺 RTM 产生以来 以其经济性优势开始替代热压罐的成形方法 RTM技术可生产高质量 具有复杂外形 低成本的产品 本文阐述了RTM技术在宇航工业 材料 设备及应用上的发展 并对RTM技术进行了概述 建立了流动模型 关键词 树脂转移模塑工艺 宇航 概述 中图分类号 TP33 文献标识码 A 0 引 言 经过数十年的发展 复合材料的应用已进 入航空航天器主承力结构领域 在我国的航空 工业 也将复合材料试用于多个型号上的垂尾 外翼 前机身 筒型结构 梁 筋等构件上 其中有些型号已进入批量生产 随着复合材料 的扩大应用 一些制约因素逐渐暴露出来 特 别是制造成本 因此 各国都在投入很大力量 研究可降低成本和提高质量的新一代制造技术 目前 已研制开发的复合材料低成本制造 技术主要有树脂转移模塑 RTM 缠绕 拉挤 和采用大丝束纤维等 经过多年的探索研究 在对多种复合材料低成本制备技术进行充分的 对比分析后 工业界普遍认为RTM工艺是最为 有效的 1 RTM工艺的原理和特点 RTM 即树脂转移模塑工艺 就是将缝编 或三维编织的制件型胚制成预成型件 放入模 具型腔 再以一定工艺规范向型腔注入树脂 最后固化成型的一种全新的复合材料结构制造 工艺技术 RTM与缠绕 拉挤等几种低成本技术的综 合比较见表1 从表1可看出 RTM在这几项低成本制造 技术中的综合优势是比较明显的 我们知道 传 统的复合材料层合板的各个铺层之间没有增强 材料 只是树脂起着粘结和传递载荷的作用 因 而在垂直于铺层方向以及铺层之间的性能较弱 这是层合板的最大弱点 而采用RTM工艺时可 以采用连续结构的增强材料制造复合材料构件 表1 几种低成本制备技术的比较 RTM缠 绕拉 挤 增强体形式三维连续二维连续单向 二维 纤维体积含量50 60 40 50 20 50 抗损伤能力好较好较差 适用结构形式多种筒形等截面 结构复杂程度高低较低 生产效率较高较低高 适用范围大小小 投资较小较高较高 使构件在三维方向都有纤维增强 从而解决了 层合板分层的问题 同时也较大幅度的提高了 抗损伤性能 冲击后压缩强度可提高80 100 因此可以用于制造高性能的复合材料结 构件 RTM工艺最重要的特点是高效 低成 本 制品的质量好 尺寸精度高 原材料的利用 表2 有害物质散发量比较 RTM热压罐 增强体结构三维连续二维连续 抗损伤性能高一般 层间强度高较低 质量稳定性好一般 材料利用率大于95 60 70 辅助材料不需要大量 加热方式局部全部 生产工时60 80 100 环境要求一般较高 环境污染很低较低 收稿日期 1999 12 07 作者简介 段宝 1970 武汉人 在读研究生 2000年9月 第17卷第3期 沈阳航空工业学院学报 Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering Sep12000 Vol117 No13 率大 受环境影响小 研制周期短 是大体积 复杂结构 高强度 中等产量的复合材料制品 的最佳成型工艺 据测算 复合材料制件采用 RTM工艺的生产成本比热压罐工艺的生产成本 低40 工时减少20 40 此外 它是目 前复合材料制造技术中有害物质散发量最少的 工艺 见表 2 2 RTM的技术现状 RTM工艺是近几年国外开展研究工作最为 活跃的领域之一 在设备 工艺和材料及理论 研究等几个方面都已有长足的发展 目前对树 脂充模的流动机理已初步掌握 并建立了相关 的液体流动模型 在RTM工艺中 树脂注入 模具的过程包含有树脂在增强体纤维之中的流 动过程和树脂对纤维的浸润过程 人们以1856年Darcy建立的水在泥沙中流 动的数学模型 即Darcy定律为基础 研究树 脂在增强体纤维之中的流动过程 该定律指出 液体的流动速率Q是由流动过程中的压力差 P和液体的粘度 决定的 并与流动区域A 和流动系数有关 Q A P K 为了能够更准确地描述这一过程 人们对 其进行了必要的修正 树脂沿单一方向流动时 流动的距离X与一定温度下一定时间的粘度和 压力差有关 X2 2K1 P t T t 在此基础上 为了更准确地表述树脂在增强体 纤维之中的流动全过程 并进行实时监控 人 们根据实际情况增加了树脂和增强材料的表面 张力 虹吸效应 增强材料含量 树脂反应程 度 热熵等多种影响因子 建立了多种流动模 型 目前 已可用计算机进行实时模拟 并依 此指导模具设计 材料设计和成型工艺参数的 确定 RTM注射机已形成系列 可选用微机控 制 现在 世界各地已有40余家较知名的 RTM设备专业生产厂家 有些设备还带有加热 系统 真空系统和清洗系统 RTM专用的新型不饱和聚酯 环氧 酚 醛 双马来酰亚胺树脂大量投入应用 树脂用 量不断增加 其平均年增长率达1013 目 前 国外航空工业较为成熟的RTM专用树脂 体系有3M的PR500 BASF的X206 44 Shell的RSL 1895和EPON9400以及Dow Chemicals的Tactix123 RTM专用树脂的工作 粘度经研究表明应在200 300cPs 如果树脂粘 度大于500cPs 将需要较大的注射压力和使用 更重 成本更高的模具 若树脂粘度小于 100cPs 会使空气驻留 产生针孔 RTM专用的增强材料包括碳纤维 开芙拉 和玻璃纤维 立体织造技术发展很快 织物的 构成方式已有数十种 在2 D织物的基础上开 发了二步法 四步法和多步法的3 D织物 并 且实现了局部增强和联锁 如图1所示 图1 在三维纺织技术的基础上 近年开始兴起 承力结构增强材料的缝编技术 与三维纺织技 术相比 它既可减少纤维的屈曲和断丝 提高 结构性组织 又可提高三维结构的可设计性 还可简化制造工艺 降低成本 Douglas公司在 研制机翼时就是从采用三维编织工艺转而开发 缝编技术的 RTM模具的设计关键在于分模面的选择和 注口 排气口 传感器的位置及数量 目前 先进的设计方法是在选定树脂和增强材料后 91 第3期段宝等 先进复合材料结构RTM技术现状及发展 利用RTM树脂转移模拟软件 模拟显示不同 的注口位置情况下树脂在模腔中的运动轨迹 结合制件形状合理安排排气口 再对几种方案 进行工艺优化 确定最佳的注口 排气口 最 后安排传感器的放置 模具材料主要采用钢 铝 玻璃纤维 聚酯 玻璃纤维 环氧和电铸镍 模具 模具的表面光洁度可以达到A级表面要 求 3 RTM在结构中的应用 现在RTM产品已经进入复杂结构 高纤 维含量 高强度范围 已有一些承力结构投入 使用 如阻力板 梁 肋结构 为使RTM工 艺能够用于主承力结构件的生产 美国空军制 定了 低成本复合材料兵器开发计划 用 RTM成型方法 Douglas与NASA联合制造6 块飞机机翼壁板交付试验 并已制成118 112m和3 112m的变截面蒙皮加筋板 Boeing 公司生产了复合材料面板的蜂窝夹层结构 机 身内架和框板 Dow UT制造了F 22 F 117的波型梁 发动机进气口 多种框类零件 及接头 其中F 22上有246个零件是采用 RTM工艺制造的 占全部复合材料构件的四分 之一 RAH 66主旋翼采用RTM工艺 材料 系统为S 2glass IM7 PR500 此外 直升机 挠性传动轴和联轴器 推进换向器 Blood2 hound导弹的鼻锥 Concord导弹自动瞄准头的 整流罩 英国Sandown级扫雷艇舰体也开始采 用RTM工艺生产 4 国内RTM的现状 我国在RTM技术 缝编织技术领域已开 展了一些工作 取得了一定的成绩 但从整体 来看 与先进发达国家相比还存在明显的差距 在 八五 期间开展了缝编工艺的研究 为KX研制了缝合型结构接头试件 已引进多 轴经编织机 其玻璃纤维缝合织物的年产量已 达到数万平米 目前已开发了多种立体织物及 二步法 四步法纺织技术 已采用RTM技术 研制了3种型号机头雷达罩 某导弹弹头的模 拟件 已研制出适用于RTM工艺的双马来酰 亚胺树脂 并对工艺性及成型方法进行了初步 探讨 积累了一些经验和数据 但是 到目前 为止 我国还没有将RTM技术应用到主承力 结构的制造上 在民品方面 RTM技术在我国 已开始使用 并从国外引进了一些RTM材料 工艺和设备 已有采用不饱和聚酯和玻璃纤维 织物制成的BJ 130车门外板 BJ 212硬顶 北京Jeep后门等 5 RTM的发展趋势 在我们迈进21世纪的时候 RTM技术也 在快速的朝着更高的技术更广的应用方向发展 伴随而来的是清洁 自动 快速 低成本 高 质量的复合材料制造技术和低压力 低投资的 设备及模具 系统化的RTM用树脂可同时在工艺和性 能两方面满足实际使用需要 树脂的工作粘度 在200 300cPs之间时 可使制品具有高韧性 固化工艺简单 快速 进一步研究缺陷形成机理和影响因素 建 立高效 准确的RTM成型工艺过程和模拟模 型 相关软件和技术的进一步完善 可使其对 实际制造过程具有准确的预测 指导和实时控 制功能 以保证构件的内部质量 降低材料孔 隙率 提高纤维体积含量 缝编过程将实现根据铺层设计 增强材料 的铺放 缝合 切边各工序自动完成 实现立 体结构的自动缝编 预成型体的制造连续化 三维编织成本随着控制技术的发展逐渐降低 缝编 三维编织复合材料的性能分析方法将进 一步完善 RTM技术发展成为复合材料的主要 制造技术之一 6 结束语 RTM技术具有抗分层特性 可制造复杂结 构 固化方式简单 树脂和增强材料适用范围 广 纤维含量可控 低空隙含量的优点 是目 前复合材料的最佳成型工艺 在成本和制品质 量方面与热压罐及热压工艺相比具有很强的竞 争力 国内的RTM技术尚处于萌芽阶段 致 使其应用范围受到很大限制 开发此项技术 不仅能为今后的型号研制 特别是武装直升机 背景机和民机复合材料构件研制进行技术储备 服务 也可拓宽我国复合材料的成型技术专业 领域 为航天 兵器 航海等其它领域的国防 02 沈阳航空工业学院学报第17卷 项目服务 同时 RTM工艺在民用领域如汽 车 箱包 运动器材 铁路 建筑等方面也有 极大的技术和产品市场 选择适宜的产品 有 希望开拓民用复合材料制品市场 参考文献 1 S J Lews The use of carbon fibre composites on military air2 craft Composites manufacturing 1994 5 1 2 T Gutowski et al Development of a theoretical cost model for advanced composite fabrication Composites manufactuing 1994 5 4 3 K W Furrow and Alfred C L Environmental effects on stitched RTM textille composites Journal of reinforced plastics and composites 1996 15 4 董永祺 1 增强塑料技术与应用开发 1991 5 D L Woerdeman The use of evanescent wave fluorescence spec2 troscopy for control of the liquid molding process Journal of re2 inforced plastics and composites 1996 15 6 J Summerscale A model for the effect of fibre clustering on the flow rate in resin transfer molding Composites manufacturing 1993 4 1 7 A S Verheus et al The role of reinforcement permeability in resin transfer molding Composites manufacturing 1993 5 1 8 W B Young The effectsof surface tension on tow impregnation of unidirectional fibrous perform in resin transfer molding Jour2 nal of composite materials Vol 30 1996 30 11 9 K D Potter Bismaleimide formulating for resin transfer mold2 ing 32nd international sample symposium Apr 1987 10 Frank C R Resin transfer molding of aerospace resin A review british polymer journal 1998 20 11 W R Stabler et al Void minimiation in the manufacture of carbon fiber composites Resin transfer molding samp quarterly Jan 1992 12 M F Foley The flexible resin transfer molding FRTM pro2 cess sample journal 1992 28 6 13 P J Falon et al Effects of compaction on the stiffness and strength of plain meave fabric RTM composites Journal of Composite materia