复合材料低成本制造

1 复合材料低成本制造复合材料低成本制造 前言前言 一般而言 先进复合材料主要是指由高性能的碳纤维增强体与高性能的树脂基体用 专门的成型技术复合而成的一种高性能的新材料体系 其主要的优点是轻质 高强 耐 腐蚀 抗疲劳 到目前为止 首选的应用仍是航空航天工程的结构材料 与传统的铝合 金相比 复合材料制件的减重效果可高达 40 这对于减少飞行器的自重 提高飞行速度 和承载能力非常有利 从而大大降低油耗 获得巨大的经济效益 随着先进复合材料技 术日趋成熟 越来越多的复合材料构件取代传统的材料用在商用飞机上 如波音和空客 飞机的舱门 地板梁 整流器 控制板及尾翼结构件 包括 方向舵 稳定器和升降舵等 最近 大型商用客机上启动大量采用复合材料的计划 波音公司已宣布 正在研制 的 梦想 飞机 Dreamliner 波音 787 上 复合材料的用量将占全机结构总重量的 50 这将是世界上第一架采用复合材料机翼和机身的大型商用噴气客机 表明复合材料在航 空工业上的又一次突破 由于大量采用复合材料而使飞机的结构重量大幅度降低 燃油 效率可提高 20 另一家大型民用客机制造商 欧洲空客 公司在开发复合材料的应用方面 也有突 破 例如在超大型客机 A380 上将采用 25 的复合材料 其中外翼 中央翼盒 垂尾 平尾 地板梁 后承压框等均采用复合材料 复合材料在其它领域应用的范围不断扩大 在所有工程材料市场中 从常规制品到 特殊复杂应用制品 先进复合材料都占有可观的份额 随着新型的聚合物树脂基体以及 高性能的玻纤 碳纤和芳纶增强体的采用 先进复合材料在产量 品种和应用等方面都 得到持续的发展 除国防工业和航空工业外 先进复合材料还在一些新的应用领域取得 进展 如 具有防爆功能的装甲复合材料 天然气作动力的汽车发动机汽缸 风力发电 机旋叶桨 机械驱动轴 高速路高架桥承载梁 桥面 码头建筑 甚至纸制的搓杆或搓 管等 先进复合材料同样在一些特殊的建筑结构上得到广泛的应用 展现出美学和生态学 的风格 使用寿命长和维修费用低 再加上轻质和抗腐蚀等优点 使先进复合材料在许 多低应力状态的应用领域极具竞争力 事实上 用复合材料代替金属 既减轻重量又降 低成本 这样的实例非常之多 如 发动机连接管 曲面整流器 整流片 汽缸 管材 排气管 桨页外壳以及其它金属焊接件的代替件等 在工业和家居用品方面 先进复合材料的用量在过去的 20 年间也有很大的增长 特 别是 西欧 美国和日本占有世界市场的很大份额 复合材料在经济发达国家和地区已 发展到相当高的水平 而在中国 大规模的采用复合材料成品的市场还有待于进一步开 2 发 汽车制造 海上运输和交通 基建 风电 兵器 医疗器械 体育休闲用品等都存 在巨大的市场潜力 由于复合材料的应用需求不断增大 又由于复合材料的成本仍然居高不下 因此复 合材料低成本成型技术应运而生 成为当前复合材料发展的热点 本文将就低成本技术 的发展背景 主要低成本成型技术的特点和应用方向以及低成本成型技术的发展趋势进 行介绍 1 1 由性能最优先到性能 由性能最优先到性能 成本平衡 是复合材料发展的重要转折成本平衡 是复合材料发展的重要转折 从全球范围看 先进复合材料的发展大致可分为两个主要阶段 从上世纪 60 年代的 早期应用到上世纪末 是复合材料上升和发展阶段 主要应用于航空航天工业 60 年代 开始 美国空军完成了许多研究项目 比如用硼纤维复合材料来提高飞机结构的性能 F 111 飞机的水平稳定器是第一个通过适航条例的复合材料部件 为 F 14 雄猫 在 70 年代初制造的复合材料稳定器是另一个重要的里程碑 随后就有 F 15 雄鹰 稳定 器 F 16 的方向舵和稳定器 AV B 猎兔狗 和 F 18 黄蜂 的复合材料机翼等 几 乎所有的新型军机上都大量采用了先进复合材料 最著名的例子就是 F 22 隐形歼击机和 B 2 隐形轰炸机 80 年代末海湾战争结束直到现在 是复合材料产业开始有所转型 应用领域逐步拓 展的阶段 海湾战争的结束加速了复合材料向民用工业的转型和过度 这是因为伴随冷 战的结束 东西方两大阵营的军事实力的对比已趋于明显 西方国家特别是美国大幅度 的削减国防经费预算 大批从事军工的复合材料的部门和机构转向民用产品的开发 笔 者 1991 年正在美国出席美国尖端材料协会 SAMPE 举办的学术年会和展览会 经与同 行们交流 对这一趋势身感同受 用复合材料制造的高档体育休闲用品如复合材料自行 车 网球拍 钓鱼杆等开始陆续涌向市场 美国的复合材料制造商抓住这一企机 使复 合材料自行车在美国风行了两年 而一些低成本的成型技术如树脂递模塑成型 RTM 和 拉挤技术 pultrution 已初见端倪 可以说 海湾战争结束是复合材料发展的重要转 折点 作为一种新材料 复合材料具有多种优良性能 但目前居高不下的成本仍然是制约 其广泛应用的主要原因 业内专家指出 用碳纤复合材料制造的飞机结构件 与铝合金 的同类结构相比 成本可高出 1 到 2 倍 这无疑极大地限制了复合材料在飞机上的大 量使用 如果说国防和军事上采用高成本的复合材料是出于一个国家战略地位的考虑 那么 对于其它民用工业部门 成本就是一个必须慎重考虑的问题 因此复合材料的发 展 除了要继续研究开发高性能的材料品种之外 一个重要的问题就是如何降低成本 扩大应用范围 更大程度上满足国民经济发展的需要 复合材料的高成本主要表现为以下几方面 原材料的价格高 碳纤维 芳纶和高性能树脂基体的价格居高不下 3 手工操作为主 效率低 周期长 设备投入和使用费用高 能耗大 辅助材料价格高 用量大 整体设计欠缺 制件整体性差 仍需要大量的紧固件 针对以上问题 特别是进入新世纪后 复合材料的市场需求急剧上升 而成本问题 也就更为突出 为了应对这一局面 各国都采取了相应的措施和策略 由性能最优先改 为重视性能 成本的平衡 实现复合材料结构低成本化而又不改变复合材料的强度优越 性 在此背景之下 近年来 低成本复合材料结构的开发在世界范围内空前活跃 在欧 洲 复合材料低成本结构在运输机主翼上的适用性研究处于最终阶段 在美国 空军及 NASA 的各种计划 以国家的规模在进行着 其有代表性的是 ACT 计划 相对现有铝结构 开发目标是降低 25 的成本 该目标非常之高 如以原有复合材料价格为标准 成本降低 超过 50 欧美研究开发计划的特点是现实目标明确 面向实机改进和提高性能 面向批量生 产降低成本等 这些计划的概况示于表 1 表表 1 1 美国的低成本复合材料结构研究开发计划美国的低成本复合材料结构研究开发计划 2 2 计划名称资助者 参加公司预算期间研究目的主要低成本技术 DMLCC 低成本复合材料设 计和制造 空军 波音 麦道 通用电气 贝尔 50 M 97 以 F 22 飞机的批生 产飞机低成本制造 工艺研究 与以往复 合材料结构相比降低 成本 50 RTM 龙骨框架 纤维束铺放蒙皮 热帘子布成型的桁条 热塑性长切纤维 LDF 拉挤 纤维缠绕 编织 拉挤的小型杆 AFS 先进机身结构 海军 NASC 30 M 3 年 以 F A 18E F 的固 定翼外壳为对象减重 20 降低成本 30 杜邦长切纤维预浸料等 LCCP 低成本复合材料成 型 Pratt Whitney 麦道 小批量 试制机的低 成本制造工艺研究 纤维缠绕管头 石膏模具等 ACT 先进复合材料技术 NASA 波音 等多公司 10 年 材料开发 计算技术 革新设计 制造方法 的开发 比原金属结 构降低成本 25 纺织预型件 RTM 粉末喷涂预浸料 丝束交织预浸料 净型纤维预型件 3 维编织 编结 横向缝 纫等 ATCAS 先进技术复合材料 机身结构 NASA 波音 麦道 以宽体商用机机身为 对象 开发减重低成 本复合材料结构 代 替金属结构 4 1 DMLCC 低成本复合材料设计和制造 由 Boeing 波音 MDC 麦道 GE 通用电气 Bell 贝尔 四公司分担任务 到 1997 年为止投入 5 千万美元的预算 以 F 22 为模型机 进行批生产飞机的低成本制造方 法研究 目标是与以往类型的复合材料结构相比降低 50 的成本 Boeing 公司承担大型机身结构 并以 F 22 为对象开发 2m 规模的实际大小机身的夹 具和组装方案 并试制该结构 低成本技术包括 RTM 树脂传递模塑 框架 ATP Automated Tow Placement 纤维束铺放 外板 热覆盖成型纵梁补强壁板 热塑性长切纤 维 LDF DuPont 公司的 Long Discontinuous Fiber 是处于以往长纤维或短纤维中间的材 料 成型性好 强度也高 以及拉挤成型和 FW 纤维缠绕 成型 MDC 公司承担 ATP 及自动组装方案 GE 公司承担编织和 ATP Bell 公司担当全胶接 装配的大型主翼结构 V 22 垂直起落飞机 低成本技术有热塑性复合材料肋 RTM 肋 拉挤成型小竿以及 Syncore R 夹层板 2 LCCP 低成本复合材料成型 计划 研究针对小批量生产或试制飞机的低成本加工方法 Pratt Whitney Aircraft 和 MDC 二公司参加 P W 公司试制湿法 FW 管 MDC 公司试制 1 2 2 4m 的主翼盒结构 低 成本化的方法有直接使用石膏的低成本模具 不用热压罐等 3 ACT 先进复合材料 计划 NASA 订出 10 年计划 以国家规模进行研究 以技术实用化为目标 产学官共同进行 材料开发 分析技术开发 研究新的设计方法和制造方法 对降低成本提出高目标 比 原有金属结构降低成本 25 零件数减半 设计 制造 财务等各部门组成一个团队 从 设计的初期阶段就一起活动 研究范围很广 有热塑性复合材料 纺织预成型 RTM 粉末涂层预浸料 搀混预浸 料 网状纤维预成型 三元织物 编织 针织 缝合等 屈曲后的非线性行为 破坏模 式 剪裁等设计技术也得到广泛研究 Lockheed 公司开发了适用技术 把织物预成型件 用于运输机的机身结构 与以往金属结构相比减轻重量 并取得降低成本 20 25 的效果 2 2 通过成本分析 复合材料成本主要高在制造成型 通过成本分析 复合材料成本主要高在制造成型 成本估算和分析对于一个公司的运作非常重要 一种产品能以低成本产出将具有极大 的市场竞争力 实际上 成本估算并不仅仅是财会人员和营销人员的事 制造工程师对 产品的成本起着关键的作用 任何一种新产品的设计或现有产品设计的改变 都离不开 制造工程师的参预 复合材料产品的成本可分成两大类 临时成本和经常成本 临时成本又叫固定成本 属于一次性计入成本的费用 主要包括 5 用于生产的直接投资 如工装模具 设备 组装线等 其折旧费用应计入成本 以及相关的税款和保险等 行政管理费用 间接费用 是与生产没有直接关系但必须计入成本的费用 如工程技术服务费用 非技术性服务费用及办公费用等 广告和营销费用 经常成本又叫变动成本 是以工作日为计算基础的成本 也叫营运成本 主要有 用于产品的直接材料成本 包括 纤维 树脂 添加剂及表面涂料等 用于支持生产的非直接材料成本 如 脱模剂 透气布 真空布等 直接的人力成本 如 制造 机械加工 装配 质量检验等 如果是手糊成型 直接的人力成本包括 预浸料切割 工装模具清理 施加脱模剂 预浸料层片铺 叠和质量检查 真空设备准备 进入热压罐并操作热压罐 成型后的整理工作等 非直接的人力成本 如技术咨询及故障处理 设备运行及维修 水电及其它 产权的费用 包装运输 废料处理和损耗 为了便于分析 将上述两大类成本作图如下 总成本 总收益 变动成本 总成本 固定成本 收支平衡点 a 产 量 b 产 量 从上图可以看出 总成本随着产量的增加而上升 图 a 但产量达到收支平衡点之 后 随着产量的增加 收益也将增加 图 b 所以 要提高收益 只有两条途径 一是降 低成本 图 b 中总成本直线位置下降 收支平衡点朝左下移动 一是增加产量 增加产 量受市场制约 但降低成本却是产业自己挖潜的问题 实际上两者有着内在联系 采用 高效的自动化的先进成型技术 既可降低成本 又能增加产出 6 上述两种成本又可分为生产性成本和非生产性成本 生产性成本包括材料 设备 工 装模具 人力 能源消耗等 非生产性成本指行政管理和市场营销等 国外曾对复合材 料产品的成本进行过多种渠道的分析 得出如下一般性的结论 1 材料 30 2 设备 28 3 模具 10 4 人力 22 5 其它 10 由此可知 除材料外 其它项都关系到制造成本 一般而言 制造成本可高达 60 70 上述各种成本的比例关系会会随着产量的变化而发生变化 产量增加越多 材料的成 本也增加得越多 设备和模具成本下也降得越多 人力成本基本不变 提高产量 使设 备和模具得以充分利用 因而降低了成本 对于同一类产品 可以有多种成型方法供选择 不同的成型方法会产生不同的成本 例如复合材料管材 则可以采用纤维缠绕成型 搓管成型 热压罐成型 拉挤成型或树 脂传递模塑等不同方法制造 对于小批量的生产 适合用搓管成型 因为基本上没有设 备的投入 而大批量的生产 最好用自动化程度高的拉挤成型 因此 成本分析的一个重要目的就是对各种设计和制造方案进行比较 选出最佳的 设计和制造方案 实现产品性能与成本的最佳平衡 3 开发低成本成型 是要实现性能与成本的平衡 开发低成本成型 是要实现性能与成本的平衡 先进复合材料主要的性能优势体现在航空航天工程的应用上 为确保飞机的安全可 靠性 对材料的性能 试验及质量要求都很严格 因此开发低成本的成型技术 最终是 要实现性能与成本的平衡 在满足性能要求的前提下 降低制造成本 复合材料是通过增强纤维和树脂基体的复合而得到的一类新型材料 其性能主要决 定于所用的组成材料的性能与采用何种复合成型技术 对于结构复合材料 最重要的性 能就是强度和使用温度 复合材料的高强度 是通过纤维的增强来实现的 纤维是承载的主体 纤维的含量 是一非常重要的参数 现在一直沿用的手工铺叠预浸料层片并用热压罐成型的复合材料 纤维含量可达 65 甚至更高 而且纤维分布均匀密实 有效的保证了复合材料质轻高强 的优点 而 RTM 是目前低成本成型的热点 它是一种湿法成型 先将纤维编织的预型件 放置于模腔中 再将树脂注入 最后在模腔中固化成型 编织的预型件可以是二维的或 三维的 还可以编成复杂的形状 这样能提高制件的整体性 但它所得到的纤维含量目 前最多只到 50 但最近有报道 采用改进的真空辅助的 RTM 成型 VARTM 纤维含 量可达 70 RTM 制件一般只能室温固化 这在某种程度上限制它在航空航天领域内高 7 性能结构的应用 拉挤成型和缠绕成型 都是高效的成型技术 但一般用于管材和棒材 的制造 并不适合于薄壳结构的飞机结构 因此 在低成本的成型技术中 一方面要保 证制件的纤维含量 另一方面 就是如何进行高效快速的纤维铺放 如 RTM 拉挤 纤 维缠绕以及大丝束纤维和预浸带连续缠绕等 改变了预浸料的手工铺放程序 大大提高 了生产效率 复合材料另一个重要性能是使用温度 这取决于所用的树指基体的耐温性 一般而 言 耐高温的树脂基体都需要热压罐内进行高温固化 高成本高能耗的热压罐大大提高了复 合材料的成本 所以低成本成型的另一条技术途径就是摆脱热压罐的固化 而采用新型 的固化方法如电子束高速固化法 超声波固化法 X 线固化法等 这样可以减少设备投 资和能耗 从而降低成本 另一种途径就是研究开发低温固化而又耐高温的新型树脂体 系 从而就免除了高温固化的大量能耗 为了降低成本 制造方面的低成本技术 首先就是提高自动化程度 如美国的 ACT 计划中采用 ATP Auto Tow Placement 多轴装置 使机身复杂角落 的自动铺层成为可能 有报告说这种方法可使材料利用率提高约 40 自动化的另一个 优点是 能使产品形成系列化和规范化 从而能保证不同批次产品的质量稳定性 有效 的降低因产品质量保证所带来的费用 现在 在引人注目的湿法工艺中 在树脂浸渗性这一点上 RFI Resin Film Infusion 法比 RTM 优越 适合大型结构 有报告说 湿法成型比传统手糊法降低成本超过 30 但需解决的问题是随着采用对模而带来的模具成本问题 改进这一问题的是 SCRIMP Seeman Composite Resin Infusion Molding Process 系统 该方法仅采用一面刚性 模具 而另一面采用真空袋 SCRIMP 系统已在民用领域适用 而用于飞机部件则有进一 步降低成本的可能 湿法成型的模具费用占整个预算的 60 70 要开发更简易而又廉价的适用模具材 料和结构 在批量生产成本中 模具成本为 10 左右 如模具能反复长期使用 最终就 会有稳定的批量生产成本 从低成本成型的研发现状看 大致可分为以下 5 方面的内容 1 对热固性复合材料一直沿用的方法进行改进和提高效率 如 Filament Winding FW 纤维缠绕 Pultrusion 拉挤 Braiding 编织 Tow placement 丝束排布 自动成套裁剪 预浸材料激光样板切割 Laser template 等自动化技术 2 湿法工艺技术 RTM RFI 等在纤维增强体的预型件上再注入浸渍树脂 3 热塑性复合材料的易成型新材料开发及 IN SITU 原位 成型方法 Direct consolidate 直接固结 Commingled yarn 搀混纱线 Powder coated towpreg 粉末涂覆丝束 预浸 等热塑性复合材料的新成型方法 4 不用热压罐的新固化技术 用微波 电子束 超声波 X 线等高效率能量的新固 化方法 8 5 CAD CAM 模拟技术 铺层 浸渍 成型 固化等工序的模型化 模拟技术 有助于保证产品质量 提高生产效率 从目前现状看 热点是湿法工艺和配套的纤维多维编织技术 此外 设计方法也要实现低成本化 飞机机体结构的成本在设计阶段大半已经确定 为了与新的低成本成型方法相适应 应改变改变传统概念的设计模式 研究开发与新的低成本成型方法相适应的新设计观念 除强调重量方面要求外 外还应把成本作为一个重要方面来考虑 设计开发的最终目标是取得适航性证明 该过程中也有低成本的余地 有关复合材 料结构适航性的数据及技术情况应尽可能做到共享 并要求主管部门的管理程序进一步 标准规范化 4 国外低成本成型的现状及发展趋势 国外低成本成型的现状及发展趋势 如前所述 从上世纪 80 年代后期开始 由于复合材料的军事需求相对减少 民用需 求逐步上升 复合材料实现由性能最优先到性能 价格平衡的转变 因而低成本成型技术 相应得到开发的应用 低成本成型技术当前发展的主流是湿法成型技术 也称液体模塑成型技术 简称 LCM 主要有树脂传递模塑 真空辅助树脂传递模塑 VARTM 树脂渗透成型工艺 SCRIMP 和结构反应注射模塑等 其中最重要的是树脂传递模塑技术 RTM 以及由 此而发展起来的 VARTM RTM 最早出现在 40 50 年代 但直至 80 年代末 随着美国复合材料的产业转型 RTM 才成为热点 该方法是指先将纤维预型体放在闭合模腔中 再将液态树脂用专用的 设备注入 树脂在流动充模时完成树脂 纤维的浸润并经固化成制件 与这种方法配套的 是 3 维或 2 维编织的纤维增强预型件 预型件是用自动化的纤维编织机编织而成 这种 几乎近于 净尺寸 的制件具有整体性能高的优点 由于纤维预型件中有一定比例的贯 穿厚度方向的纤维 所以大大提高了制件的抗分层能力 而分层则是目前用得最多的层 压复合材料的致命问题 RTM 技术可以成型带有夹芯 加筋 预埋件等的大型构件 可 按照结构要求来设计纤维预型件的各种参数 如 纤维种类 纤维含量 纤维的方向和 编织程序等 RTM 免除了将纤维制成预浸料 再切割成层片然后再铺叠成预型件的过程 摆脱了 大投资的热压罐 工艺易于实现自动化 具有生产周期短 劳动力成本低 环境污染少 制造尺寸精确 外形光滑 可制造复杂产品等优点 是目前国际上发展应用最快 并在 航空工业应用最多的低成本技术之一 从国际上看 美国在湿法成型技术上处于领先地位 特别是在航空航天领域内 在 过去十年里 美国应用 RTM 技术的增长率为 20 25 据美国塑料工程学会预测 在 今后五年里美国应用 RTM 技术的增长率将提高到 30 32 美国基本形成了 RTM 有关 9 的材料体系 制造工艺 技术装备和验证系统 并在武器装备上得到批量应用 应用范 围从次结构件发展到主结构件 包括机翼主承力正弦波梁 其它构件包括前机身隔框 油箱构架和壁板 中机身武器舱门帽型加强筋 机翼中间梁 尾翼梁和加强筋等 RTM 技术的成熟和发展 为美国的航空工业带来巨大的经济效益 如美国军用战斗机 35 垂 尾及 A18 E F 襟翼整流罩上的应用是使用该项技术制造的最大尺寸的零部件 前者长 3 6 重约 90 又如美国 F 22 机上采用 RTM 技术制造的各种复合合材料部件达 400 件 占复合材料结构总量的 1 4 单这一项就比原设计节省开支约 2 5 亿美元 欧洲是湿法成型发展较快的另一地区 RTM 制件的增长率为 8 10 业内人士估 计 20 年以后大多数大型的复合材料结构或半结构部件都将是 RTM 制品 所有重型卡 车的壳体只有用 RTM 生产 而由 RTM 开发出来的 VARTM 和 SCRIMP 工艺近年来更 是发展迅速 这种方法改变了 RTM 采用双边闭合模的办法 而只采用单边硬模 用来铺 放纤维增强体 另一面则采用真空袋覆盖 由电脑控制的树脂分配系统先使树脂胶液迅 速在长度方向充分流动渗透 然后在真空压力下向厚度方向缓慢浸润 大大改善了浸渍 效果 减少了缺陷发生 产品性能的均匀性和重复性以及质量都能得到有效的保证 在 同样原材料的情况下 与手糊制件相比 成本节约可达 50 树脂浪费率低于 5 而制 件的强度 刚度及其它的物理特性可提高 30 50 以上 SCRIMP 工艺另一个突出的优 点是加工过程的环保性 由于采用闭模成型 挥发性有机物和有毒空气污染物均受到很 好的控制 VOC 排放不超过 5PPm 的标准 而开模成型的苯乙烯的挥发量超过 500PPm SCRIMP 工艺使大尺寸 几何形状复杂 整体性要求高的的制件的制造成为可能 目 前它可成型面积达 185m2 厚度为 3 150mm 纤维含量达 70 80 孔隙率低于 1 的制 品 树脂浪费率低于 5 节约劳动成本 50 以上 在船艇制造 风机叶片 桥梁 汽车 部件及其它民用和海洋基础工程等方面得到广泛应用 如 英国的 VOSPER THORNYCROFT 公司自 1970 年以来为英国皇家海军制造了 270 艘复合材料雷艇 最大 的扫雷艇体总长达 52 5mm 总重达 470t 起初 该系列艇 FRP 部件约占总重量的 30 由于 SCRIMP 工艺的引入 FRP 制品的比例有望达到 35 40 VT 公司应用 SCRIMP 工 艺开展的项目还涉及制造运输船 作业艇 救生艇船体和海洋港口工程结构 如桥梁甲 板 大型冷冻仓等 VT 公司还为 Compton Marine 及 Westerly 等公司提供技术支持 用 经济的 SCRIMPR 替代原有的开模方法制造长度 14m 游艇 以及开发新一代游艇系列 瑞典海军的轻型护卫舰 Visby 艇长达 73m 舰上有 10 4m 的梁 这是目前建造的最大 的 FRP 夹芯结构 舰上的部件如船体 甲板和上层建筑都是用 SCRIMP 法制造的 该工 艺确保了高纤维含量 优异的制品性能 质量量稳定性和快速成型 Peichell Pugh 公司开 发了 Corum 快速游艇 OD48 系列 游艇使用 SPX7309 环氧室温固化注射树脂 制造周 期仅为 30min Ciba Gejgy 公司采用 Injectex 织物 树脂渗透介质 低粘度环氧体系开发了 舰船部件 在海洋工程方面 Hardcore Composites ltd 以及 New Castle DE 公司开发了码头护栏项 10 目 其目的是替代因海水腐蚀严重破损的金属制品 FRP 护栏比金属轻 强度和刚度较 好 并耐潮湿 耐盐不腐蚀和紫外线 已将 84 个 FRP 护栏安装到 Buenos 码头 实践证明 SCRIMP 工艺制造的部件性能与航空航天领域广泛采用的热压罐工艺相媲 美 随着 SCRIMP 技术从军事应用向民用工业的转移 在建筑 汽车行业将有很大的拓 展空间 如大尺寸的屋面 建筑平台等公用工程构件 以 Lotus 公司为代表的汽车厂家已 实现该工艺的大规模生产 用于制造轿车车身 大型卡车车顶和面罩 豪华客车及公共 汽车前脸和后尾 铺路车及油矿车车身和驾驶室等部件 SCRIMP 工艺的另一个主要应用领域是风机叶片的制造 目前 国外采用闭模的真空 辅助成型工艺用于生产大型叶片 叶片长度在 40m 以上时 和大批量的生产 这种工艺 适合一次成型整体的风力发电机叶片 纤维 夹芯和接头等可一次模腔中共成型 而无 需二次粘接 世界著名的叶片生产企业 LM 公司开发出 56M 的全玻纤叶片就是采用这种 工艺生产的 除湿法成型外 其它的低成本制造技术还有纤维缠绕 拉挤等 纤维缠绕主要用于圆柱体及旋转体的制造 如压力容器 石油管道 排水管道等 德国 ITV 公司开发的环型缠绕技术 用于压力容器制造 该项技术用于制备轴对称的复 合材料部件 环形缠绕头上配置有标准的虹吸式树脂注入单元 湿发缠绕 在整体缠绕 路径及全过程中几乎无树脂滴漏 树脂消耗量减少 缠绕机成为清洁工作站 杜绝了有 害垃圾的产生 缠绕成型的一种拓展技术为预浸带自动缠绕 采用的是经树脂预浸渍的纤维预浸带 这种方法比一般的纤维丝束缠绕铺放的效率更高 业内专家介绍 美国波音 787 飞机上 采用 50 的复合材料 其中整体机身段就是采用纤维预浸带缠绕工艺制造的 机身段是 长度和直径都在 5 m 以上的超大型制件 而采用这种高效的成型技术 整个制件的成型 仅在三天之内就完成 其中装模和准备一天 缠绕一天 固化及卸模一天 不仅高效快 速 且能有效的保证了产品的质量 从目前现有的复合材料成型技术来看 这种类型的 制件 用其它方法成型是非常困难的 很难达到预期目的 另一种高效的低成本成型是拉挤成型 拉挤成型有高度自动化大量生产的特性 特 别适合民生用产品 许多金属件也逐渐被拉挤成型的 FRP 制件来取代 各式各样的拉挤 制件件 如实心方管 实心圆管 工型梁 C 型梁 空心方管 空心圆管以及空心加助补 强制件件 几乎任何截面都可制造出 其截面形状变化能力非常高 用以取代金属制件 用于建筑工程 完全没有锈蚀的问题 且结构轻便 施工与保养容易 另外如屋顶波浪 版 工型梁 中空方型梁都可用拉挤的复合材料取代又重又容易锈蚀的钢制结构 可以 预见拉挤成型制件的轻 强 产量大 容易制造 成本低等优点会逐渐取代金属件 而 在民品工业中占有一席之地 5 国内低成本成型产业的现状及发展趋势 国内低成本成型产业的现状及发展趋势 11 国内复合材料低成本产业起步较晚 技术水平较低 特别是高端的航空航天产品的 低成本制造 目前仅停留在实验阶段 这也从一个侧面反映出我国复合材料产业的总体 现状和水平 我国的复合材料产业大致分为两大类型 一是为满足高端的航空航天和军事装备需求的国营企业 我国的航空工业各大主机 厂和材料工艺研究院所都有相当规模的复合材料制备设施 经多年的建设和努力 积累 了较丰富的经验 达到了较高的水平 如我国多年来承担转包的波音飞机大型复合材料 部件 都能通过国际适透条例 取得较好的信誉 我国的直升机 复合材料的比例达 30 以 上 现关键材料基本实现国产化 航天用的运载工具的大型壳体结构 是采用纤维缠绕 方法制造的复合材料构件 性能和质量都满足了我国航天事业发展的要求 此外 在军 事装备上应用的先进功能复合材料也取得较大进展 二是分布在其它工业部门的中低端复合材料企业 这类企业在复合材料产业中占有 90 的比例 主要分布长三角地区 其中民营企业占有相当大的比例 这些企业在民用复 合材料的开发应用上发展很快 产品以玻璃纤维复合材料为主 涉及的应用领域极为广 泛 建材 化工 石油 船舶 风能 交通运输 体育器材等 在低成本成型技术的研发方面 高端的航空航天产品 由于应用需求问题 目前仍 处于初级阶段 在原材料 制造设备 成型技术以产品验证系统和规范标准等还未形成 自己的体系 其它民用复合材料的制造 目前手糊工艺制品占有相当大的比重 但近年来随着复 合材料工业对成型工艺产品的质量要求的不断提升 特别是对成型工艺的环保及成本方 面的要求越来越高 促进了这些企业复合材料的生产工艺 产品质量不断改进和升级 其中低成本成型技术 包括湿法工艺的 RTM 和 VARTM 技术 以及缠绕 拉挤工艺得 到了迅速的发展 表 1 给出了我国复合材料成型工艺与国外的对比情况 表一 我国复合材料生产工艺与主要发达国家的比较 生产工艺 中国 美国 日本 德国 手糊法 74 5 18 18 20 5 模压法 10 40 44 52 1 连续法 3 6 2 缠绕法 13 3 6 6 4 拉挤法 1 5 2 4 2 0 喷射法 0 5 20 19 8 7 其他 0 5 17 6 4 1 表二 玻璃钢 复合材料工业企业生产规模对比表 项目 中国 美国 12 总产量 万吨 年 48 175 生产厂家 个 约 3000 约 500 从上表可以看出 我国玻璃钢 复合材料企业生产能力与技术水平与世界先进国家 之间有着明显的差距 表中数据表明 我国仍手糊法为主 占 75 的比例 相应其它国 家只有约 20 而在先进成型技术方面 美国接近 40 日本 30 德国 15 而我国 不到 3 缠绕法我国发展较快 达 13 这是因为我国在这方面市场需求增长很快 而 中低端的缠绕产品在技术上较容易实现 从产业规模和集成能力来看 我国的企业数量是美国的 6 倍 而相反年产量仅是美 国的 1 3 这是因为我国的中小型民营企业数量巨大 这些数量巨大的小型民营企业 目 前普遍存在诸如生产工艺落后 产品多为来样加工 缺乏自主设计能力 无严格的质量 检验体系 生产过程对空气污染严重 生产环境恶劣 工人缺乏必要的防护服等着一系 列的问题 下面将着重介绍我国几种复合材料低成本产业的情况 1 RTM 任重道远 由于复合材料制件向着大尺寸和整体性的方向发展 如风力发电机的桨叶 船舶壳 体 汽车车身等 因此 RTM 是复合材料成型技术发展的主流 今后大多数复合材料构件 或半构件者将是 RTM 制品 为了顺应这一潮流 我国自上世纪 90 年代初 开始大规模 发展 RTM 技术 据不完全统计 到目前 全国购买及自行研制的 RTM 设备不少于 300 台 在应用开发方面已取得了长足的进步 绝大多数的原 辅材料都已实现了国产化 比如在原材料方面 南京已经生产出专用的连续玻璃纤维毡 江阴第二化工厂 金陵 BASF 公司等先后推出多种 RTM 专用树脂 上海玻璃钢研究所在玻璃钢模具电加热温控 方面作了有益的探索 极大的降低了应用 RTM 技术的各项费用 国内已有相当数量的 RTM 产品广泛用于汽车工业 船舶工业 航空航天工业以及 建筑工业等领域 在民品方面 已有采用不饱和聚酯和玻璃纤维织物制成的 BJ 130 汽车 车门外板 BJ 212 硬顶 北京 后门 高速公路 桥梁的紧急电话亭 海运用救 生阀等 我国的 RTM 设备大多为进口 世界各地已有 40 余家较知名的 RTM 设备专业生产 厂家 我国已引进 RTM 机 300 余台 价格在 8000 15000 美元 设备来源主要是 美国公司以及少量的欧洲厂家 其中格拉斯公司的 SPARTAN 型注射机 以其低压特性 稳定 混合效果出色 可靠的清洗维护装置 得到了用户的好评 此外 还有美国 RTM systemsInc 公司的 Meganject 型 RTM 机 美国 Liquid Control Corp 公司和英国 Maghum Industries Europe 公司的 RTM 机等 国内在引进国外 RTM 生产设备的同时 也自行开发生产了新型低压预混模塑注射 机 如 同济大学科研人员研制的新型低压预混模塑注射机 与活塞式 RTM 机相比 新型低压预混 RTM 注射机具有注射压力低 压力平稳 可添加填料含量达 100 可 13 注射环氧 酚醛等其热固性树脂 低的注射压力不会造成模具超载 材料损耗量少 维 修简便等诸多优点 设备投资只有进口的 1 5 1 3 在 RTM 的原材料方面 对基体材料还是增强材料都有特殊要求 国内近几年发展较 快 RTM 专用树脂按照用途的不同分为通用型树脂 低收缩型树脂和特殊类型树脂 近年来 RTM 树脂用量不断增加 其平均年增长率达 10 3 其发展前景十分乐观 尤其是在 汽车工业方面 许多公司正积极开发这方面的特种树脂 国内生产厂家及其树脂产品有 金陵帝斯曼树脂公司 350 952 为 专用树脂 江苏富菱化工有限公司的富丽牌 RTM 树脂等 但就目前情况来看 国内一些树脂厂虽然开发出了 RTM 专用树脂 但在 消泡性 收缩率 放热峰值和凝胶固化方面与国外 RTM 专用树脂还存在一定的差距 RTM 对纤维增强材料的要求包括适用性强 均匀性好 重量和厚度 容积压缩性 系数大 耐树脂冲刷性好 对树脂流动阻力小 与树脂浸渍好均匀 机械强度高 所采 用的增强材料一般为连续玻璃纤维毡 短切毡 表面毡 针刺毡 复合毡等 这些增强 材料国内的玻纤生产企业都有生产 能够满足 RTM 工艺的要求 对于有特种性能要求 的 也可采用碳纤维 芳纶纤维等混合增强体 而目前这些材料多为进口 我国的 RTM 任重道远 据了解 国内的 RTM 设备数量较多 但并未充分利用 在 大尺寸构件制造上 特别是风机的叶片制造 目前大多仍采用手糊成型 只能满足 600KW 和 750KW 机组叶片的批量生产 风电是我国今后重点发展的产业 需要大型的 兆瓦级风机叶片 由于叶片体形庞大 手糊成型工艺是无法胜任的 必须采用 RTM 等先 进的成型技术 在这方面 必须实行研究 生产和应用三方面的密切配合 共同努力 才能达到预期目的 2 拉挤成型方兴未艾 拉挤成型是将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或其他连续增强材料如纤维布带 聚 酯表面毡等在牵引力的拉拔下 通过成型模具的挤压成型 并在模具中和固化炉中受热 固化而制成产品 主要生产各种截面形状的管 棒 异型材 板等复合材料型材 拉挤成型的优点是 设备简单 造价低 生产率高 便于形成自动化生产线 产品 质量稳定 能充分发挥增强材料作用 力学性能高 特别是纵向的强度和模量 原材料 的有效利用率高 基本上无边角废料 型材的纵向和横向强度可以调整 以适应不同使 用要求 其长度可按需要切割 拉挤产品的主要应用领域包括电工 化工和防腐 建筑 结构 运动娱乐 能源 农业 汽车和交通运输等领域内的各种产品 是目前中低端复 合材料制品的主要制备技术之一 拉挤成型近十多年在我国来有较大的发展 相关产业主要是分布在长三角和珠三角 在区的民营或合资企业 产品涵盖了上述各个应用领域 并有相当的份额出口 我国已从国外引进 30 多条生产线 在消化吸收的基础上已能自行研制生产各种拉挤 设备 厂家主要分布长三角地区 设备的自动化程度和各项指标都达到较高水平 能拉 14 制不同纤维的制品 除满足国内需要外 还向东南亚和港澳等地出口 但是 从产品数量 质量以及所用纤维增强材料 拉挤用树脂 辅材等都与国外有 较大的差距 目前引进生产线开工不足 未能充分发挥作用 产品应用领域尚未充分打 开 使用部门对拉挤成型材缺乏足够铁认识 技术资料不足等都制约着发展步伐 因此 应该充分发挥根据政府部门的组织引导作用 合理安排 扩大宣传 在石油 能源 农 业和建筑行业内加大开发应用的力度 促进该类产品的产量和市场不断扩大 3 纤维缠绕有待提高 我国的纤维缠绕成型技术起步于 60 年代 主要为航空航天和国防装备服务 几十 年随着我国复合材料产业整体水平的提升和工业基础的进步 纤维缠绕在我国也取得长 足的发展 我国纤维缠绕产品在玻纤复合材料的总产量中占有 1 成以上的份额 我国已 能自行设计和制造各种卧式和立式的纤维缠绕设备 基本能满足国内生产的需要 最近 研制的数控纤维缠绕机及其关键技术 打破了国外对我国的封锁 具有独立自主知识产 权 为国内首创 其关键技术达到了国际同类产品的先进水平 部分产品指标处于国际 领先水平 我国现有纤维缠绕生产线数十条 产品包括各种型号的管道 压力容器 贮 罐 覆盖了航空航天 石油化工 城市建筑 交通运输等部门 尤其是大口径塑料螺旋 缠绕管取得重大进展 纤维缠绕玻璃钢夹砂管生产技术有大的突破 生产效率提高 内 径 2m 长 12m 工作压力 0 6Mpa 7000 刚度的管道缠绕仅需 45 分钟 为适应城市改造的 需要 开发了顶管制造关键技术与施工技术 内径 2 5m 顶管日顶进长度达 69m d 达到 国际领先水平 玻璃钢夹砂管已出口巴基斯坦 马来西亚 越南 伊拉克 俄罗斯 哈 萨克斯坦 阿联酋等国及我台湾省 当前缠绕技术的发展主要表现在缠绕设备技术水平和产品结构和产能上 目前在西 欧和美国 缠绕机正向着高自动化 高集成化 高产量的方向发展 CNC Technics 公司 为印度一流的科学技术大学 印度技术学院的复合材料中心 研发并交付了一台带有 西门子 840D 控制器的六轴纤维缠绕机 这一系统采用了最新的 Cadfil 纤维缠绕软件用于 成型轴对称和非轴对称构件 如管道弯头 该公司还开发了一套名为 JOKAM 的控制系统 可以同时控制六个轴 这是一个低成本的控制器 几乎不需要硬件 通用性非常高 可 以运行所有常用的缠绕软件 产品结构上 用纤维缠绕制造的制件尺寸越来越大 最近在亚洲完成的一个特大型 立式缠绕机用于制造贮酸槽 储槽直径为 20 米 高约 16 米 设备自动化使生产效率提 高 如美国 Beko Technologies 公司的一家工厂拥有一台 BSD 缠绕机 每天 24 小时 一 周 7 天的运转 缠绕机缠绕部件长时间运转而无需操作人员 完全由电脑的传感器控制 相比之下 我国还有不小差距 设备的自动化 多功能和高效率有待提高 产品的 类型和规模需要扩大 而与缠绕相关的一些先进技术如预浸带铺放目前尚处于空白 15 参考文献参考文献 1 Sarh B Moore B Riedell J 40th International SAMPE Symposium 1995 PP 381 395 2 Iden