树脂基复合材料低成本技术

树脂基复合材料低成本技术摘要：树脂基复合材料因其比强度高、比模量大而广泛的应用于航空航天等领域。然而其高昂的价格仍然是限制树脂基复合材料广泛应用的一大障碍。目前，已经有多国学者针对树脂基复合材料低成本化进行了研究，并取得了部分积极成果。本文主要介绍了几种低成本制造技术，如自动铺放技术、低温成型预浸料技术、电子束固化技术、液体成型技术以及树脂模渗透成型（RFI）技术。关键词： 树脂基 复合材料 低成本技术前言与传统金属材料相比，复合材料具有密度低、比强度和比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好和结构尺寸稳定性好等优点，在航空航天领域获得了广泛的应用。从20世纪70 年代开始，复合材料就首先在军用飞机上少量使用，到了80 年代已在民用飞机上进行了试用。应用基本是从非承力结构到次承力结构最后到主承力结构，从部位来说是从尾翼到机翼最后到机身。随着技术的不断成熟，复合材料在飞机上的用量越来越多，减重效果也越来越明显1。长期以来，限制复合材料在飞机上扩大应用的原因主要有2个：一是技术成熟度没有金属高；二是复合材料成本太高，复合材料构件的成本远远高于铝合金构件。要想扩大复合材料在航空上的应用，就必须降低复合材料的成本。本文旨在介绍几种复合材料低成本制造技术的发展现状，如自动铺放技术、低温成型预浸料技术、电子束固化技术、液体成型技术以及树脂模渗透成型（RFI）技术。1、 自动铺放技术用于航空航天器的先进复合材料构件主要采用热压罐成型技术制造。自动铺放是替代预浸料人工铺叠，提高质量和生产效率的重要手段。根据预浸料形态，自动铺放可分为自动铺带2-3与自动铺丝4-5两类：自动铺带(Tape laying)采用有隔离衬纸单向预浸带(25-300 mm)，多轴机械臂(龙门或卧式)完成铺放位置定位，铺带头自动完成预浸带输送剪裁、加热铺叠与辊压，整个过程采用数控技术自动完成（图1a所示）；自动铺丝(Fiber placement)采用多束(最多可达32根)预浸纱/分切的预浸窄带(3-25 mm)，分别独立输送、切断，由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带(宽度通过控制预浸纱根数调整)后铺放在芯模表面，加热软化预浸纱并压实定型（图1b所示）。自动铺带与自动铺丝的共同特点是自动化高速成型，质量可靠，主要适于大型复合材料构件成型；其中自动铺带主要用于小曲率曲面构件(如翼面、壁板)的自动铺叠，由于预浸带较宽，以高效率见长；而自动铺丝侧重于实现复杂形状双曲面(如机身、翼身融合体)，适应范围宽，但效率逊于前者。自动铺放技术是数控机床技术、CAD/CAM软件技术和材料工艺技术的高度集成。图1 自动铺带与自动铺丝技术原理自动铺放源于上世纪60年代，在美国空军实验室支持下起步，后经ACT、CAI(计算机辅助设计)等计划支持，迅速发展：自动铺带机、自动铺丝机、各种预浸带/纱已经形成系列产品供应，用于多种航空航天器制造。欧洲自动铺放技术近年来长足进步，形成自己的特色：如自动铺带的双头两步法和多带同步铺放技术，自动铺丝的旋转切割与预浸纱快速续接技术，这些技术大大提高了生产效率和适用性。由于自动铺放成形采用的材料体系成熟度高，设计成型方法继承性好，易于数字化设计和自动化制造，已经成为发达国家飞机复合材料大型构件的主要成型方法：新一代大型飞机B787、A350的所有翼面采用自动铺带，而所有机身构件采用自动铺丝。复合材料的大量应用推动了自动铺放技术的快速发展，各类新技术层出不穷6。2、 低温成型预浸料技术低温成型预浸料技术(Low Temperature Moulding Prepreg Technology)是一种低成本复合材料生产技术。先进复合材料公司早在70年代就开始研制开发这种技术，经过80年代和90年代的进一步开发，已经成为一种有效的低成本复合材料生产技术7。用低温压制预浸料技术来生产复合材料结构件有许多特点，在原材料、工艺、生产技术、模具、适用性和成本方面有下列特色：（1）不采用热压罐固化；（2）低温（通常在60左右）固化；（3）低压或真空袋固化；（4）采用无支撑后固化；（5）采用廉价材料制造的模具；（6）采用特种树脂体系；（7）预浸料存放寿命较短；（8）可以制造整体大构件；（9）适用于单件或小批量生产；（10）成本可降低50%70%。低温成型预浸料技术生产复合材料构件必须采用特殊的原材料专用的树脂体系。一般树脂体系由三部分组成：基础树脂或其混合物、固化剂或其混合物和增韧剂或其他附加剂。对极大部份复合材料构件而言都采用环氧树脂体系。在过去20多年期间研究发展的环氧树脂体系，其固化剂都致力于延长存放寿命和较高固化温度，亦即树脂体系的反应性很低，预浸料的稳定性很好，较高固化温度是为了获得良好的机械性能，虽然这样的看法并不正确。为了得到可在低温下固化的树脂体系，而且可以采用无支撑后固化，先进复合材料公司研制发展了专用的LTM预浸料和树脂体系，包括： LTM10系列、LTM20系列、LTM30体系、LTM40系列和LTM100体系，它们的固化温度从5080，使用温度干态下125250、湿态下80150，类型则有高温、韧性、高温韧性和高温异氰酸酯。MTM预浸料和树脂体系是先进复合材料公司研制开发的中温高性能材料，供制作飞机、赛车、网球拍、钓鱼杆、快艇桅杆、自行车、滑雪板、高尔夫球杆等应用。低温固化LTM树脂体系有良好的工艺性能和力学性能，室温寿命约36d， -18存放期大于6个月，固化和后固化后的Tg温度在75199，成型性良好，采用不同原材料和增强材料时的孔隙率在0%3%。3、 电子束固化技术电子束（EB）固化是以电子加速器产生的高能（150-300 kev）电子束为辐射源诱导经特殊配制的100%反应性液体快速转变成固体的过程8-9。电子束固化通常由2道工序组成，第一步是铺层、压实；第二步是采用电子束辐照固化，辐照工序要求电子束穿透整个工件厚度以及任何真空袋或模具材料。该技术的特点是：涂料中挥发性有机溶剂含量低，环境污染小；固化速度很快，反应完全，能耗低；固化温度低，特别适合热敏基材；设备紧凑，可控性强；固化产品性能优越。由于这些特点，使其在行业技术改造、产品升级换代、降低能耗、减少环境污染等方面具有独特的作用，被誉为“面向二十一世纪绿色工业的新技术”10。最早从事该技术研究的是70年代初期的美国福特汽车公司，在近20多年的时间里，美国、日本、澳大利亚、原苏联和欧洲的许多国家也纷纷加入到研究和开发利用该技术的行列中，并在纸张、木材、金属和纺织品等诸多行业已得到工业化利用。我国在80年代曾有一些高校和科研单位从事过该技术的应用及基础研究，但到目前为止，还没有一家企业应用该技术进行工业化生产，其原因除了该技术本身的一些特殊限制外，主要是人们对该技术缺乏了解。4、 液体模塑成型技术复合材料液体模塑成型技术（Liquid Composite Molding，简称LCM）是指将液态聚合物注入铺有纤维预成型体的闭合模腔中，或加热熔化预先放入模腔内的树脂膜，液态聚合物在流动充模的同时完成树脂/纤维的浸润并经固化成型为制品的一类制备技术。树脂传递模塑（Resin Transfer Molding, RTM）、真空辅助树脂传递模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding, VARTM)、树脂浸渍模塑成型工艺(See-mann Composites Resin Infusion Manufacturing Process，SCRIMP)、树脂膜渗透成型工艺(Resin Film Infusion，RFI)和结构反应注射模塑成型(Structural Reaction Injection Molding，SRIM)是最常见的先进LCM工艺技术。这类工艺的共同特点是将纤维预成型体放入模腔内，再将一种或多种液态树脂(通常为热固性树脂)在压力作用下注入闭合模中，液态热固性树脂浸渍纤维预成型体待树脂固化脱模后得到产品。这种作用压力可通过模腔内形成真空(真空浸渍)、重力，或者由压力泵或压力容器来提供11-13。与其他的纤维复合材料制造技术相比，LCM技术具有诸多优势：可生产的构件范围广，可一步浸渗成型带有夹芯、加筋、预埋件等的大型构件，可按结构要求定向铺放纤维，且具有高性能低成本制造优势。与传统的模压成型和金属成型工艺相比，LCM模具质量轻、成本低、投资小。另外，LCM为闭模成型工艺，能满足日趋严格的苯乙烯挥发控制法规的要求。LCM工艺技术最早起源于20世纪40年代的Macro法，Macro法相当简单，对模腔抽真空以驱动浸渍过程，美国海军承包商用这种方法开发出了大型玻璃钢增强塑料船体。在20世纪50年代称为RTM工艺，该工艺可以生产双面光滑的产品，树脂的注射压力适中，比手糊工艺优越，所以得到了发展。20世纪50年代至70年代，RTM的应用很少。到了20世纪80年代，随着飞行器的承力构件及次承力构件、国防应用、汽车结构件以及高性能体育用品等的开发，RTM工艺取得了显著的进展，并且在此基础上开发了VARTM、SCRIMP、RFI、SRIM等这些先进的LCM工艺技术。LCM工艺技术是先进复合材料低成本制备技术的主要发展方向14。据报道，欧美等先进工业国家在该领域开展了大量的研究工作，其研究开发耗资巨大。我国“863”计划在“九五”期间在RTM成型技术取得重要研究进展的基础上，部署了应用LCM技术制备车用大型结构件以降低高品质复合材料制造成本的研究计划。5、 树脂模渗透成型（RFI）技术树脂膜渗透(RFI-resin film infusion)工艺是一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的树脂浸渍技术。其工艺过程15是将预催化树脂膜或树脂块放人模腔内，然后在其上覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体等增强材料，再用真空袋封闭模腔，抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或树脂块融化，并在真空状态下渗透到纤维层(一般是由下至上)，最后进行固化制得制品的一种复合材料成型工艺技术。近年来由于环境法的要求和对产品要求的提高，使敞模成型复合材料日益受到限制，同时也促进了RFI技术的快速发展。RFI成型工艺基本原理如图2所示：图2 RFI成型工艺示意图RFI工艺属复合材料的液体成型工艺技术（Liquid Composite Molding），是目前综合性能最佳的复合材料成型工艺之一，主要具有以下特点16：（1）操作简单，加工周期短，废品率低，可经济快速的成型结构尺寸大、精度要求高的制品；（2）RFI属闭模成型工艺，树脂体系挥发物质少，VOC含量符合IMO标准，更有利于环境保护；且成型过程中增强材料与树脂的浸润由真空袋压加热树脂在密闭模具中渗透完成，不同于手糊和喷射工艺中的手工浸润，也不同于预浸料和SMC工艺中昂贵的机械化浸润，无须RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工，免去了庞大的成形设备，在制造出性能优异的复合材料制品的同时大大降低了其成本，是一种低成本、高质量的半机械化的纤维/树脂浸润方法；（3）RFI采用与制品形状相近的增强材料预成型体技术，预成型体无需固定在模具上，增强材料可以是短切毡，连续纤维、纤维布、三维针织物及三维编织物，选择具有高度的灵活性和组合性，并可根据制品性能要求进行单向增强、局部增强以及采用预埋和夹心结构，能够实现“材料的优化设计”；（4）树脂膜反应体系的选择比RTM工艺广泛，可选用高分子量的树脂，树脂分布均匀、浸渍路线短，成型的复合材料空隙率低(0%-0.1%)，纤维含量高(重量含量接近70%)，性能优异。参考文献：1 Guy Hellard. Airbus Structure PolicyC/AMD Airbus Materials Dialogue 2007. Bremen, 2007.2 Hu Cuiling(胡翠玲), Xiao Jun(肖 军), Li Yong(李勇), etal. 复合材料自动铺带技术研究(I) - “自然路径”特性分析及算法J. Aerospace Materials & Technology(宇航材料工艺), 2007(1): 40-43.3 Huan Dajun(还大军), LiYong(李勇), Wu Haiqiao(吴海桥),etal. 复合材料自动铺带技术研究(III) - 平面铺带CAD/CAM软件开发J. Aerospace Materials & Technology(宇航材料工艺), 2007(1): 47-50.4 Qian Jun(钱钧), Xiao Jun(肖军), LiYong(李勇). 构架式卫星接头自动铺丝的建模研究J. Fiber Composites(纤维复合材料), 2002(2): 3-5.5 Qian Jun(钱钧), Xiao Jun(肖军), ZhaoDongbiao(赵东标),etal. 复合材料构架式卫星接头自动铺丝成型仿真研究J. Journal of Astronautics(宇航学报), 2004, 25(6): 694-701.6 Bruce M. Automating Composites Fabrication to Meet Increased Throughput Required by Industries Ranging from Aerospace to Wind Energy, Automation Speeds Composite Production J. Manufacturing Engineering. 2008, 140(4).7 陈祥宝. 先进复合材料低成本技术M . 北京:化学工业