3复合材料飞行器构件的制造1

1,第二章复合材料飞行器构件的制造（一）,2,2.1复合材料预浸料的制造2.1.1概述,预浸料又称模塑料，是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续、短切纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物，是制造复合材料的中间材料。其某些性质直接带入复合材料中，是复合材料的基础。复合材料的性能在很大程度上取决于预浸料的性能。预浸料是具有一定力学性能的结构单元，复合材料设计师可用以进行结构设计。预浸料又是制造结构件的原料，复合材料工艺工程师可直接用以制造各种复合材料构件。预浸料的优劣关系到复合材料的质量。因此，预浸料对复合材料的应用和发展具有重要意义。,3,预浸料从20世纪40年代末期开始采用，但在很长一段时间没有给予足够的重视使其发展较慢。只有到了20世纪60年代末70年代初，高性能增强纤维如碳纤维、芳纶等的相继问世，预浸料才受到重视，有了长足的发展。随着增强纤维性能的不断提高，促进了预浸料的研究和开发，工艺技术日趋成熟，应用范围不断扩大。到了20世纪80年代，世界上大部分碳纤维都是以预浸料的形式应用的。,4,近年来，新型高性能热塑性树脂的出现，使复合材料的某些性能得到进一步提高，但因熔点高、熔融粘度大，没有合适的低沸点溶剂可溶，给预浸料的制造带来一系列新问题，需要引入新概念、采用新工艺，于是开发了许多新的预浸料工艺方法。目前预浸料制造已成了一种专门的工艺技术，由专业化工厂进行生产，制造技术有了很大提高，质量控制得到加强，实现了工艺过程的自动化，以保证产品的稳定性。另外，预浸料品种多样，能够满足不同成型方法对各类预浸料的要求。虽然预浸工艺和树脂体系配方仍是各公司或厂家的专利，但是，不同规格、品种，不同性能的预浸料已商品化，可以适应国防工业乃至国民经济各个部门的应用。,5,2.1复合材料预浸料的制造2.1.2对预浸料的基本要求及其基本特征和原材料,（1）对预浸料的基本要求预浸料的一些性能基本上原封不动的带到复合材料及其构件中，是复合材料性能的基础，复合材料成型时的工艺性能和力学性能取决于预浸料的性能。通常对预浸料的主要要求如下：树脂基体和增强体的匹配性好即增强体表面经过处理和树脂基体相容，以使复合材料有优良的层间强度。具有适当的粘性和铺设性粘性不宜太大，以便铺层有差错时可以分开重新进行铺贴而预浸料又无损坏；粘性也不能太小，以使在工作温度下两块预浸料能粘贴在一起不致分开。复杂形状或曲率大的构件，要求预浸料在一定的外力作用下，能服贴地粘贴在模具上，去掉外力也不会反弹与模具脱开。,6,树脂含量偏差应尽可能降低至少控制在3以内，以保证复合材料纤维体积含量和力学性能的稳定性。对于非吸胶预浸料尤其是这样，希望树脂含量偏差能控制在士1以内。挥发成分含量尽可能小一般在2以下，以降低复合材料中的孔隙含量，提高复合材料的力学性能。主要承力构件预浸料的挥发成分含量要求控制在08以下。具有较长的贮存寿命通常要求室温下的粘性贮存期大于1个月，-18下大于6个月，以满足复合材料铺贴工艺和力学性能要求。固化成型时有较宽的加压带即在较宽的温度范围内加压，都可得到满意的复合材料构件而对性能无明显影响。有适当的流动度层压件流动度可以大一些，以便树脂均匀分布并浸透增强材料；夹层结构流动度应比较小，以使面板和芯材能牢固地结合在一起。,7,（2）预浸料的基本特点可以正确控制增强体的含量和排列。由于在预浸过程中准确控制了树脂含量，固化时树脂流出很少，可以得到精度很高的成品。是干态材料，容易铺层。制品可以局部加强，通过改变预浸料层数，能够制得不同厚度的制品。制品表面精度高。由于浸渍完全，预浸料中无气泡，因此，制品表面光洁，质量高。预浸料作为中间材料有利于文明生产和安全生产。对树脂有一定要求，选择范围较窄。通常在室温应是半固态到固态，粘度小的树脂尚需增粘。溶液法制预浸料树脂应能溶于常用低沸点溶剂中。制造工序较多，价格昂贵。,8,（3）预浸料的原材料预浸料的原材料包括增强体和基体，主要辅助材料是离型纸和压花聚乙烯薄膜。预浸料用增强体主要是碳纤维、芳纶、玻璃纤维及其他们的织物。其他纤维如硼纤维、碳化硅纤维等在目前结构复合材料中使用较少。预浸料用树脂基体包括热固性树脂和热塑性树脂两大类。,9,10,2.1复合材料预浸料的制造2.1.3预浸料的制备工艺,制备预浸料即用树脂浸渍纤维(或织物)的过程，采用的工艺方法很多，随树脂基体类型不同而异。热固性树脂基体预浸料的制备已有多年的历史，方法比较成熟。而热塑性树脂基体预浸料制造技术发展较晚，因树脂熔点高、熔融粘度大，没有适当的低沸点溶剂可溶，和热固性树脂基体预浸料的传统工艺方法有明显的不同，目前大都处于研究阶段。,11,热固性树脂基体预浸料的制备目前主要采用两种工艺方法，即溶液浸渍法和热熔法。1)溶液浸渍法溶液浸渍法是把树脂基体各组分按规定的比例，溶解于低沸点溶剂中，使其成一定浓度的溶液，然后将纤维束或织物以规定的速度通过树脂基体溶液，使其浸上定量的树脂基体。该法必须有除去溶剂的工序，并通过加热使树脂基体处于B阶段，得到合适的粘性。,（1）热固性树脂基体预浸料的制备,12,2)热熔法热熔法是在溶液浸渍法的基础上发展起来的，以免去溶液浸渍法因溶剂带来的诸多不便。这一方法是预浸料制备工艺的一大进步，正迅速得到推广和应用。目前发达国家的专业化预浸料公司大都采用热熔法制备预浸料，特别是主承力结构用的预浸料。直接热熔法(一步法)膜胶压延法(两步法),（1）热固性树脂基体预浸料的制备,13,2)热熔法直接热熔法(一步法)将树脂基体置于胶槽中，加热到一定温度、使树脂熔融，然后将纤维束依次通过展开机构、胶槽、几组挤胶辊、重排机构最后收卷。该工艺要求树脂基体有良好的流动性，在不高的温度下呈流动态，有利于浸润纤维。该法主要用于制备粗纱或窄带预浸料，作缠绕构件用。通常预浸料树脂含量低、控制精度高。如直升机桨壳系统夹板用单向粗纱预浸带，树脂含量23，控制精度土1。,（1）热固性树脂基体预浸料的制备,14,2)热熔法膜胶压延法(两步法)一般包括制膜和预浸两个步骤。制膜工艺是先将树脂基体置于混合器中充分混合，待加热到最佳涂膜温度后，用电动机驱动的计量泵或通过压力将树脂基体输送到涂胶辊，调节涂胶辊的间距和离型纸的运行线速度，可以制得不同厚度的胶膜。用射线仪检测胶膜的厚度或胶膜的面密度，通过冷却板降低胶膜的温度，尽量减少其固化程度，随后收卷、包装，存放于冷库待用。,（1）热固性树脂基体预浸料的制备,15,2)热熔法膜胶压延法(两步法)一般包括制膜和预浸两个步骤。预浸过程是从纱架引出纤维，调节张力后，通过蓖子集束、展平到规定的宽度，从上、下胶膜辊引出预先制好的胶膜，并和纤维形成夹芯结构，依次通过几组热压辊，使树脂基体熔融，纤维嵌入树脂基体中。经过冷却段、降低预浸料温度和覆盖聚乙烯薄膜后，切边、收卷，制得预浸料。,（1）热固性树脂基体预浸料的制备,16,（1）热固性树脂基体预浸料的制备,热熔浸渍法的优点:工艺过程线速度大、效率高；树脂含量容易控制；没有溶剂，预浸料挥发成分含量低，工艺安全；不需要干燥炉、减少了环境污染；制膜和浸渍过程可以分步进行，减少了材料特别是昂贵增强材料的损失；预浸料的外观质量较好。缺点:厚度大的预浸料特别是织物难于浸透，高粘度的树脂难于浸渍，离型纸和薄膜用量较大。,17,（1）热固性树脂基体预浸料的制备,溶液浸渍法和热熔浸渍法各有利弊，可以互相补充，将会长期同时存在，以适应不同要求。但是，趋向于热熔法使用愈来愈多。国外对热熔法制备预浸料实现了工艺过程的自动监控，在制膜阶段采用计算机控制胶膜厚度，保证了树脂含量的均匀性，控制精度可使预浸料树脂含量偏差在土2。,18,（2）热塑性树脂基体预浸料的制备,工程用高性能热塑性树脂一般熔点较高，超过300。熔融粘度大，而且粘度随温度的变化很小，给热塑性树脂基复合材料的成型工艺带来很大困难，制造热固性树脂预浸料的常规方法通常不能用于制造热塑性树脂预浸料。于是，热塑性树脂基体预浸料的制备就成为热塑性树脂基复合材料研究极为重要的课题。近20年来，国内、外开展了大量研究工作，采取了多种工艺方法，获得了不少成果。,溶液浸渍法泥浆法热压工艺热熔法纤维混杂法粉末浸渍工艺法,薄膜层叠法包缠纱法熔体注射预浸渍法水溶液泡沫预浸工艺包粘法,19,2.2复合材料制品的成形方法2.2.1复合材料常用的成形方法概述,手糊成形湿法成形,真空袋压法成形,压力袋压法成形,树脂注射和树脂传递成形,热胀成形,真空辅助树脂注射成形(VARTM),离心浇铸成形,夹层结构成形,模压成形,注射成形,喷射成形,纤维缠绕成形,连续板材成形,层压或卷制成形,热塑性片状模塑料热冲压成形,纤维铺放成形,20,复合材料制品成形的基本步骤(1)增强材料的整个表面必须涂敷基体。它可用许多方法，包括浸渍、涂刷或喷涂，或用纯树脂，或用聚合物溶液。有时可以往隔离剂薄膜上涂聚合物，并使两者通过加热的滚子将聚合物转移到增强材料上。,2.2.2复合材料制品成形工艺流程,预浸料,21,复合材料制品成形的基本步骤(2)纤维必须以合适的方向按正确的比例铺放，以承受作用在制品上最不利的应力。为了承受应力，纤维的取向必须严格确定。铺层的详细程序由设计者提供给铺叠组合人员。,22,复合材料制品成形的基本步骤(3)完成的铺层强行贴到合适的模具表面加以成形。在需要精确外形的场合，使用阴模；在需要精确内部尺寸的场合，则使用阳模。,23,复合材料制品成形的基本步骤(4)在基体流动一段时间之后，使其变硬或固化，复合材料就获得了最终形状。固化靠加热与加压完成，或由引起化学交联的合适的化学媒剂完成。对于热塑性复合材料，一旦热量与压力引起足够的流动，单靠冷却下来就足以使基体变硬。,工装,零件,剥离层,隔离层,吸胶层,阻挡层,透气层,真空袋,用于真空袋压法成形的材料铺设：,阳模阴模,档料圈,25,剥离层：放在层压件的顶上或下面，胶接或喷漆前将其去掉，以保持零件表面清洁。编织纤维布、尼龙、聚酯或玻璃纤维。吸胶层：固化时吸收多余的树脂，保证所要求的纤维含量。玻璃纤维织物等。阻挡层：铺在吸胶层和透气层之间，控制零件的树脂渗出量。环氧树脂薄膜。透气层：保证真空压力均匀施加在铺贴件上，让溢出的挥发物和空气渗出。挡料圈：减少边缘渗胶、防止零件边缘变圆。工装的一部分或氯丁橡胶软压敏胶带、硅胶等,26,生产流程：,树脂,增强材料,成形模具,固化剂,促进剂,填料,颜料,纱,布,毡,脱模剂,胶液配制,处理,模具准备,半成品加工,原材料,准备工作,成形工序,27,成形作业,固化,脱模,加工，修饰,检验,制品,成形模具,成形工序,修整及检验,成品,28,2.2.3手糊成形,手糊成型、喷涂成型和铺层成型均属于低压成型方法。低压成型技术是复合材料物料或预浸料在常压或低压(0.1-0.7MPa，最高不超过2MPa)下加工固化成型的工艺技术。其成型工艺过程为：首先将赋予一定形状的物料或浸料放置到敞开式模具内，然后施加低压或不施加压力，使树脂流动渗透增强材料，通过热定型，也可常温定型，待一段时间的固化后便可脱模，脱模后再对制品进行必要的辅助工序即可应用。,29,2.2.3手糊成形,低压成型所用的设备简单、投资少、见效快。一般轻质材料(如木材、石膏、复合材料、铸铝、水泥等)均可作模具材料，且模具制造周期短、成本低。此工艺技术既适用于大型薄壁制品整体结构的制造，又适用于批量小、需频繁改变尺寸与形状制品的制造。只需简单的工具和模具以及简易的场地便可生产，有时还可进行制品的现场工作，方便灵活，适用性强。尽管众多高新成型加工技术的出现，低压成型技术在复合材料成型上仍在应用，其发展势头坚挺，是一种经久不衰的工艺方法。但这类工艺技术的缺点是生产效率低、劳动强度大、生产周期长，制品质量很大程度上依赖于操作人员的经验和技能，而且质量重复性差。,30,2.2.3手糊成形,先在涂有脱模剂的模具上均匀涂上一层树脂混合液，再将裁剪成一定形状和尺寸的纤维增强织物，按制品要求铺设到模具上，用刮刀、毛刷或压辊使其平整并均匀浸透树脂、排除气泡。多次重复以上步骤层层铺贴，直至所需层数，然后固化成形，脱模修整获得坯件或制品。其工艺流程如下图所示。,31,用手糊成形可生产飞机蒙皮、机翼、火箭外壳、防热底板等大中型零件,32,与其它成形工艺相比，手糊成形的优点有：操作简便，操作者容易培训；设备投资少，生产费用低；能生产大型的和复杂的制品；制品的可设计性好，且容易改变设计；模具材料来源广；可以做成结层结构。手糊成形的缺点有：是劳动密集型成形方法，生产效率低；制品质量与操作者的技术水平有关；生产周期长；产品强度较其它方法低。,33,手糊成形工艺制造制品一般要经过如下工序,增强材料剪裁树脂的配制模具准备涂刷脱模剂喷涂胶衣成形操作固化脱模修边装配,34,视频5min复合材料手糊成型,35,2.1.4喷射成形,利用喷枪将纤维及树脂同时喷到模具上而制得制品的方法。将加了引发剂、固化剂和促进剂的树脂系统和短切纤维从不同的喷嘴同时喷出，用手辊压实浸渍纤维层，然后室温固化成形得到制品。用喷射成形可以成型较为复杂形状的制品。,36,喷射成形也称半机械化手糊法。在国外，喷射成形的发展方向是代替手糊。喷射成形的优点:生产效率比手糊法高2-4倍，尤其对于大型制品，这种优点更为突出；喷射成形无搭缝，制品整体性好；减少飞边、裁屑和胶液剩余损耗。喷射成形的缺点是：树脂含量高；制品强度低；现场粉尘大，工作环境差。,37,玻璃钢短切喷射成型机树脂泵由压缩空气，快速驱动树脂泵做往复运动，以固定的比例来输送树脂的同时，通过可调比例从动臂来带动固化剂泵，使得固化剂的比例可在0.54%的范围内调整。原料从上料软管中被吸入。,固化剂泵固化剂泵由高等级的精密不锈钢制成，并配有压力表。使用带回流的自动泄压阀门和手动泄压阀来清除气锁故障。泵的活塞杆较粗使其具有最大的刚度，与泵内部的一个自行调正机构连接，以消除由于泵不垂直带来的偏心力，从而达到了精确计量并使密封件的寿命得以延长。,38,三级过滤系统树脂在通过吸料管上的过滤网时，被一级过滤，然后通过串联在树脂泵上的过滤器及进入枪头之前的管线上的过滤网来进行二、三级过滤。这个三级过滤系统可最大限度的减少枪头的堵塞，减少停工时间。储能器用一个空气储能器来实现树脂的输出压力恒定。管道标准的管道是25英尺长，包括空气管、树脂管、固化剂管和溶剂管，这些管道都有三级过滤和开关阀。溶剂清洗剂系统气动高压溶剂清洗泵被安装在溶剂桶中，使用最少的溶剂，将枪头中的混合物清除掉。,39,手糊成形工艺所需原材料包括玻璃纤维及其织物（玻璃纤维毡，粗纱织物，玻璃纤维织物，玻璃纤维粗纱等）、合成树脂（不饱和聚酯树脂、环氧树脂、胶衣树脂等）和辅助材料（催化剂、颜料、脱模剂、填料、夹芯材料及其他添加剂等）。,手糊、喷射成形原材料,40,1.原材料准备：在开始手糊成型之前，必须准备好所用的原材料、增强材料和树脂胶液，这是保证成型工作顺利进行的基础。a.玻璃纤维织物的准备：玻璃纤维布一般需预先剪裁，简单形状可按尺寸大小剪裁，复杂形状则可利用厚纸板或明胶片做成样板，然后按照样板剪裁，剪裁时应注意如下几点：,手糊成形技术,41,曲面展开,42,对于要求各向同性的制品，应注意将玻璃布按经纬方向纵横交替铺放；对于在某一方向要求较高强度的制品，则应在此方向上采用单向布增强；对于一些形状复杂的制品，玻璃布的微小变形不能满足要求时，有时必须将玻璃布在适当部位剪开，此时应注意尽量少开刀，并把剪开部在层间错开；玻璃布拼接时搭接长度一般为50mm，对于要求厚度均匀的制件，可采用对接的办法。玻璃布拼接接缝应在层间错开；糊制圆环形制品时，将玻璃布剪裁成圆环形较困难。这时可沿布的经向成45度角的方向将布剪裁成布带，然后利用布在45度方向易变形的特点糊成圆环；圆锥形制品可按样板剪裁成扇形然后糊制，但也应注意层间错缝。,43,b.树脂胶液的配制：不饱和聚酯胶液的配制：可先将引发剂和树脂混合搅匀，然后在操作前再加入促进剂搅拌均匀后使用；也可先将促进剂和树脂混合均匀，操作前再加入引发剂搅拌均匀后使用。环氧树脂胶液的配制：可先将稀释剂及其他助剂加入环氧树脂中，搅拌均匀备用。使用前加入固化剂，搅拌均匀使用。环氧胶液的粘度、凝胶时间和固化度对制品的质量影响很大。,44,2.模具的准备：模具是手糊成型中的主要设备。在设计模具时，要综合考虑各方面的因素。模具必须要符合制品设计的精度要求以及有足够的刚度和强度，要容易脱模，造价要便宜。,45,2.1.5袋压成形,袋压成形是在手糊成形的制品上，装上橡胶袋或聚乙烯、聚乙烯醇袋，将气体压力施加到未固化的毛坯表面而使制品成形的方法。袋压法的优点是：制品两面都较平滑；能适应聚酯、环氧及酚醛树脂；制品质量高，成形周期短。缺点是成本较高，要求模具的气密性，不适用于大尺寸制品。,46,适合袋压法生产的制品：(1)原型零件；(2)产量不大的制品；(3)模压法不能生产的较复杂的制品；(4)需要两面光滑的中小型制品。,47,真空袋压和压力袋压：毛坯上铺覆柔性材料（橡胶、塑料膜），使柔性材料和模具之间形成一个密闭空间，然后抽真空，制品毛坯表面由于大气压力而变得致密。也可将制品毛坯连同模具装入橡胶袋内，在橡胶模上放一块耐压板，使压板与橡胶膜之间又形成一个密闭室，除对橡胶模抽真空外，同时对此密闭室内通入压缩空气或蒸汽（压力在0.35MPa以上），经过袋压后的制品空隙率可进一步降低。为了得到致密性更高的制品，可将装在真空袋内的制品毛坯和模具在专用设备热压罐中进行加温、加压固化。由于制品在较高温度、较大压力和抽真空状态下成形，所以制品质量大为改善。,48,真空袋压:真空袋成型工作原理如图。其主要设备是烘箱或其他能提供热源的加热空间，成型模具以及真空系统。由于真空压力最多也只能0.1MPa，故该法只适用于厚度为1.5mm以下的复合板材，以及蜂窝夹层结构的成型，前者要求其基体树脂能在较低压力下固化，后者由于蜂窝夹层结构的自身特点，为了防止蜂窝芯子压塌而只能在低压下成型。成型蜂窝结构时通常是首先将面板压制出来，然后与蜂窝芯子胶接成一整体。,49,50,51,在低成本计划规划下，降低材料成本已受到人们的重视，为此低成本的树脂基体材料也应运而生。所谓低成本树脂基体材料是指能在130150下固化，特别是能在0.1MPa即真空压力下固化。这种树脂基体材料无疑能大幅度地降低制造成本。当前，由英国ACG公司研制的LTM树脂就是其中的一例，现已用它制造出大型的结构件，例如X39机翼，DC-10方向舵也是采用真空袋法制造的。该方法具有设备简单，投资较少，易于操作的特点。,52,压力袋压:它是在真空袋法基础上发展起来的，为的是成型一些需要大于0.1MPa压力，而压力又不必太大的结构件。薄蒙皮的成型和蜂窝结构的成型是该法的主要使用对象，压力袋成型时除了真空压力外，还加有由压缩空气产生的0.10.2MPa压力，因此总压力近似于达到0.20.3MPa，这一范围的压力适用性相当大。本法与真空袋法一样，具有设备简单，投资较少，易于作业的优点。,53,54,55,56,三段短视频总共3min铺贴过程；真空袋压成型,57,热压罐AUTOCLAVE,58,2.1.6层压成形层压成形工艺属于压力成形范畴，是复合材料的一种主要成形工艺。它是把一定量的浸胶布层叠在一起，置于两个抛光的金属模板之间，再送入热压机内，在一定温度和压力下对两层模板之间加热、固化，然后冷却、冷却、脱模压制成材的工艺方法。这种工艺发展较早、较成熟。用这种工艺生产的制品包括各种绝缘材料板、人造木板、塑料贴面板、复合塑料板、覆铜箔层压板等，不仅制品的尺寸精确、表面光洁、质量较好，而且生产效率较高。,59,2.1.7缠绕成形缠绕成形工艺是指连续纤维或带经过树脂浸胶后，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，制成一定形状的制品。缠绕成形的主要设备是缠绕机，辅助设备有浸胶装置、张力装置、加热固化装置及纱架装置等。,61,缠绕技术是30年代发展起来的、最早的复合材料机械化、自动化成型技术，第一台机械式缠绕机1947年在美国Kellog公司问世，相继出现了程控式缠绕机，如Entec800和McCleanAnderson的W18。第一台微机控制缠绕机由McCleanAnderson1976年投放市场，微机控制缠绕机的出现带来了缠绕技术的革命，缠绕CAD/CAM使复杂的缠绕轨迹计算成为可能、并在微机控制缠绕机直接实现，缠绕轴数的增加不仅使各种复杂的运动得以完成并且大大提高了线型精度，从而大大提高了缠绕制品的性能。缠绕制品应用范围从航空航天气瓶、机身、固体火箭发动机到民用缠绕管道、贮罐、发电机叶片等。,62,缠绕技术有以下几种分类方式：按照束纱的状态可以分为湿法缠绕（即束纱浸胶后直接缠绕）和干法缠绕（束纱为预浸纱，也称为预浸法缠绕），湿法缠绕成本较低，但张力控制、线型精度较低、操作环境较差，多用于民用制品；干法缠绕含胶量、张力控制精确，也可以用于热塑性缠绕，多用于高性能制品。,63,64,按照束纱运动规律特点可以分为环向缠绕、螺旋缠绕、平面（纵向）缠绕，如下图所示：,B,（a）,（b）,（c）,65,按照束纱层覆盖芯模的程度可以分为全覆盖缠绕和网格缠绕，全覆盖缠绕经过一个缠绕周期后束纱回到起始点附近，但向前步进/后退一个纱片宽度（在原纱片前沿称为纱片超前、在原纱片后沿称为纱片滞后），纱片覆盖沿芯模表面扩展（覆盖面积增加），经多个缠绕周期后直至束纱完全覆盖芯模，形成闭合结构；而网格缠绕经过一个缠绕周期后，束纱原位重复，纱片覆盖仅沿厚度方向增加（覆盖面积不变），逐步形成一定高度的加筋网格。,66,按照束纱与模具的相对关系可以分为外侧缠绕和内侧缠绕，外侧缠绕是最常见的缠绕方式，束纱在模具外侧缠绕，缠绕张力沿芯模表面产生成型压力。内侧缠绕模具在外侧，通常靠模具高速旋转束纱的离心力产生成型压力。,67,缠绕设备的主体是缠绕机，由主轴、丝嘴及其运动机构、张力测控系统及辅助系统等部分组成。主轴提供芯模转动动力，丝嘴按照缠绕线形所确定的轨迹与芯模做相对运动，将束纱缠绕到芯模上；张力测控系统保证束纱设定的张力、保证落纱轨迹并产生成型压力；浸胶装置与预浸纱加热装置则分别对应于湿法缠绕和干法缠绕。,68,缠绕机的发展历史，经历了机械式缠绕机、程序控制缠绕机到微机控制缠绕机的阶段。机械式缠绕机成本低、可靠性高、专用性强，靠执行机构间的机械传动关系实现设计线形缠绕，多针对具体产品形状或缠绕线形专门设计制造，主要用于螺旋缠绕和平面缠绕两类。,69,实现螺旋缠绕的有小车环链式缠绕机，是一种较早开发应用、较为通用的机械式缠绕机，如下图所示。通常采取卧式布局。环链与主轴按一定速比运动，小车在环链带动下往复运动，实现成圆柱段线性螺旋缠绕。,70,适于平面缠绕的机械式缠绕机有绕臂式缠绕机、滚转式缠绕机、行星式缠绕机、球缠绕机，用于长径比较小的容器缠绕。绕臂式缠绕机采取芯模立式布局，适用于大中型缠绕机；绕臂与芯模主轴倾斜一角度（即平面缠绕的缠绕角），绕臂带动丝嘴做圆周运动实现平面缠绕，每转一周，芯模旋转使表面转过一个纱片宽度。,71,滚转式缠绕机的设计思想与绕臂式缠绕机相悖，通过整体芯模对丝嘴的相对运动实现平面缠绕。由于丝嘴不运动，既可以采用干法也可以采用湿法缠绕。,72,行星式缠绕机综合了滚转式缠绕机和轨道缠绕机的设计思想，采取了芯模斜置并相对丝嘴作运动的方式实现平面缠绕，传动系统采用了行星式共轴传动，通过改变芯模公转与自转的速比调整线形。由于丝嘴固定，可以采用干法和湿法缠绕。,73,如上所述，专用缠绕机只能实现特定的丝嘴与芯模运动关系，无法实现复杂形体和复杂线型的缠绕。微机控制缠绕机与机械式缠绕机的根本差别在于执行机构动力源均采用独立的伺服电机，各个机构（运动轴）间的运动关系不是由机械传动链确定，而是由计算机控制的伺服系统实现，因此可以实现复杂的多轴运动，完成各种线型的缠绕从而满足设计要求，而且更改设计方便快捷。微机控制缠绕机的执行机构采用精密传动器件，精度高、速度快。,74,上海万格复合材料技术有限责任公司生产的VG2FW-2-250型计算机控制二工位缠绕机,75,张力测控系统和浸胶系统是缠绕机的重要组成部分。张力控制系统是保证缠绕质量的重要一环，缠绕张力的控制精度很大程度决定了缠绕制品的质量。张力系统由张力传感器、张力控制器和张力测控系统组成。张力测控系统完成张力采集、处理、控制的功能，现多采用计算机数控完成。,76,浸胶槽是湿法缠绕必备的系统部件，浸胶槽主要有两种形式：浸胶式和擦胶式。浸胶式浸胶槽适于低粘度浸胶，浸胶均匀，含胶量主要靠胶液粘度和浓度控制。擦胶式浸胶槽适于中粘度浸胶，含胶量控制主要靠调整刮胶刀与胶辊间隙，控制精度较高。为保证工艺质量，稳定的胶液粘度和浓度十分重要，可以采用水浴保持胶槽温度稳定；保证胶液浓度有两种方法。一是在浸胶槽加盖减小溶剂挥发，二是采用连续不断地更换胶液，使胶液浓度恒定。,77,78,对于干法缠绕和热塑性缠绕，加热器是必不可少的。干法缠绕加热是预浸纱软化保证与已缠绕的复合材料良好粘结，加热温度在50-100，可以多采用热空气；而热塑性缠绕加热温度在250以上，可以采用燃器火焰加热、微波加热或激光加热，后两者温度控制精度高，加热效果好。,79,缠绕工艺设计的重要组成部分是线型设计，即束纱在芯模表面的轨迹与排布方式。如果束纱无规则地乱绕，必然导致束纱在芯模表面离缝或重迭、以及束纱滑移不稳定、架空（对含有凹曲面部分）等现象，形不成制品，因此，要求束纱的轨迹满足：束纱均匀分布在芯模表面。束纱在芯模表面稳定不滑移。束纱贴合模具面。,80,上述三项要求蕴涵了缠绕规律的基本要素：1.周期性：连续缠绕的束纱轨迹必须满足周期性才能均匀分布在芯模表面。无论芯模形状如何，连续缠绕必然使丝嘴往复运动，并在极孔处形成切点。当缠绕到一个周期时，新切点与起始切点重合，束纱轨迹闭合形成一个基本线型，通常称为标准线；这样的一个周期也称为一个完整循环；完成一个循环，芯模转角必然是2的整倍数。若下一个循环在原位置继续，则厚度增加形成网格缠绕；若下一个循环在原位置有一个不超过纱片宽度的步进，经过多个完整循环，纱片沿芯模形成完全覆盖。,81,2.稳定性：束纱在芯模表面最稳定的轨迹是测地线，研究表明：在摩擦力作用下偏离测地线也可以实现稳定缠绕，相应的稳定条件为式中，f滑移系数；曲面测地曲率，法曲率；表面摩擦系数。,82,3.不架空性：束纱只有贴合模具面才能形成成型压力，对正曲面不言而喻的，对于负高斯曲面（即马鞍面，如环壳面），当缠绕角超过一定值时才能保证不架空：式中，缠绕角曲面经线曲率、纬线曲率；缠绕规律确定了束纱在模具表面的轨迹和分布，即线型，也确定了丝嘴与芯模间的运动关系。,83,以常用圆筒形容器为例阐述简单线型全覆盖缠绕的设计思路。环向缠绕环向缠绕是指缠绕时，芯模匀速自转，丝嘴平行于芯模轴线做往复运动，芯模每转一周，丝嘴向前移动一个束纱宽，如此循环直至束纱布满芯模筒身段表面为止。,84,对于回转圆柱体，束纱轨迹为螺旋线，是稳定而不架空的。环向缠绕只能在筒身段进行，邻近束纱相接而不相交，缠绕角为，通常在8590之间。为使束纱能一束挨一束地布满芯模表面，丝嘴导程必须小于或等于束纱宽度。,85,平面缠绕平面缠绕又称纵向缠绕。缠绕时，丝嘴在固定平面内做匀速圆周运动，芯模绕自已轴线慢速旋转。丝嘴每转一周，芯模绕自已轴转过一上小角度，反映在芯模表面上是一个束纱宽度。束纱与芯模纵轴成0-25的夹角，并与两端极孔相切，依次连续缠绕致到芯模上去。各束纱互相紧邻，不发生束纱交叉，束纱缠绕轨迹是一条单圆平面封闭曲线。研究表明：当缠绕角较小时，平面缠绕的轨迹是稳定的。束纱与纵轴的交角称为名义缠绕角,式中，r1,r2两封头的极孔半径；lc筒身段长度;le1,le2两封头高度。,87,螺旋缠绕芯模绕自已轴线匀速转动，丝嘴按特定速度沿芯模轴线方向往复运动。束纱在芯模的筒身和封头上形成螺旋线，实现了螺旋缠绕，其缠绕角约为12-70。,螺旋缠绕与相邻束纱间几何排布,88,缠绕雷达罩缠绕压力容器,89,缠绕风力发动机叶片,90,缠绕固体火箭发动机壳体,91,92,2.1.8压制法压制成形的种类很多，如吸附预成形坯对模压制、片状模塑料压制、预混料压制、冷压制、缠绕模压、层压模压、织物模压、定向铺设模压、手糊模压等。根据模压料中基体树脂与增强材料的浸渍方式不同，模压成形工业可分为两类：湿法成形：基体树脂在成形时与增强材料同时加入模腔。（半）干法成形：基体树脂在成形前与增强材料充分混合浸渍，制备成模压料，成形时直接加入模腔。,93,1.吸附预成形坯对模压制通常分二步进行，第一步是预先成形出制品的毛坯。毛坯的生产方法是将经过短切的纤维喷撒在一个带网眼的模型上（称作“筛模”），由于筛模内部抽气的负压吸附，使纤维堆积分布在模型上，用少量乳粘剂使纤维预成形为毛坯形状。,94,第二步再将毛坯置于成形对模上，然后倒入树脂溶液，加温加压固化成形后，脱模即可得到制品。在预成形对模压制中，由于使用廉价的粗纱，能经济地成形较为复杂的制品，但通常只能成形壁厚小于6mm的制品，并要有专用喷射设备。用预成形对模压制生产的制品包括浴槽、椅子、安全帽、船体、电焊面罩、机器外罩等.,95,2.层压模压将预浸布或预浸毡剪裁成所需形状，铺叠后放入金属对模中加热加压成形制品的工艺方法。适用于结构较简单、型深较浅的薄壁制品。在形状简单的防热制品、防腐部件上应用较多。特点是增强材料在成形过程中无显著流动的情况。,96,3.片状模塑料压制用片状模塑料在对模中成形制品的方法称为片状模塑料压制。具体操作是先将片状塑料根据制品尺寸进行剪裁、称重、撕去表面保护薄膜，然后叠放在模具内，经过热压固化成为制品。这种压制方法操作方便，材料流动性好，能够成形复杂形状、带筋、深凹形制品，且制品表面光滑，作业环境干净。但是，生产片状塑料的专用机组投资费用较高，只有大批量生产才合算。用片状模塑料压制的制品有浴盆、净化槽、洗面台、罐、容器、电焊面罩、汽车车身、冷却塔外罩等。,97,4.块状模塑料压制如果用绳索状或块状的模塑料代替片材进行压制，就是所谓的块状模塑料压制。通常将块状料投入注射机固化成形一些小尺寸或带嵌件的薄壁零件，零件的尺寸精度较高，但强度较低。块状模塑料压制法一般用在成形电气开关、洗衣机筒、盆、家庭用品、汽车零件、泵壳、螺旋桨叶片等。,98,5.冷压成形以上所述对模成形法都要在加热和高压条件下才能成形，因而能耗大。如果制品成形依靠树脂系统固化放热提供热量，这种成形方法称作冷压成形法。它是在玻璃钢或其它强度不高的模具上铺贴增强材料，再倒入常温固化的树脂胶液，加压固化成形即得制品。冷压成形法的模具和设备费用低廉，生产效率比手糊法要高510倍，制品内表面光滑，但生产周期较长。该方法适宜于制品数为500-5000个的中等批量生产规模，适于成形容器、罐、汽车部件、机器面罩、冷却塔及包装箱等制品。,99,6.缠绕模压将预浸的纤维或织物布带缠绕在芯模上，再放入金属对模加热加压成形的工艺方法。适用于有特殊要求的制品及管材或回转体截面制品。7.定向铺设模压把单向预浸料（纤维或无纬布）沿制品主应力方向铺设成坯料，然后将坯料放入模具中加热加压成形的工艺方法。该方法制品纤维含量高、可按制品受力情况设计纤维方向及分布，适用于成形单向强度要求高的制品。,100,2.1.9离心成形法先将短切纤维毡铺在真空芯模的内壁上，使芯模快速旋转，同时向纤维层均匀喷洒树脂液。由于离心力迫使纤维紧贴在芯模内壁，同时迫使树脂浸润纤维，向芯模内送入热风加速制品固化。适于成形强度要求不高的大型中空容器和大直径管。,101,树脂传递模塑(ResinTransferMoldingRTM)是从湿法铺层和注塑工艺中演衍而来的一种新的复合材料成型工艺。RTM成型技术的根源，初期开发的技术主要是在欧洲。在60年代至70年代，玻璃钢领域将工艺重点放在喷射和片状模塑料成型上，RTM成型虽然成本较低，但其技术要求较高，特别是对原材料(树脂、纤维)及模具的要求较高，大规模推广有一定的困难，因而发展较为缓慢。到了80年代，由于各国对生产环境要求的各项法规日趋严格，如美国、英国对工作区苯乙烯的限量浓度为10010-6，北欧和日本限量浓度为5010-6等，为此，生产厂家不得不放弃传统的手糊和喷射成型工艺，寻找符合环保法规的低苯乙烯挥发量的工艺。,2.1.10树脂传递（树脂压注）模塑法,102,随着原材料、工艺的发展和成型技术的不断进步，加上RTM本身的诸多优点，如模制件公差极小，有极好制品表面，与SMC比较模塑压力小、生产周期短、生产加工自动化适应强等优点。1985年前后，以缩短成型周期、提高表面平滑性和提高质量稳定性为目标的第二代RTM加工法得以公开。在第二代RTM加工法的开发中，树脂材料方面有特别明显的进步，中温领域里的快速固化系统和并用低收缩剂的低收缩率系统，以不同于SMC法的形式建立起来。一些材料厂家公布出具有与反应注射模塑(RIM)及SMC成型固化速度相近的注入树脂，通过这类树脂的实用化和预成型体的使用，制品在强度上具有明显的优势，加上成型模具、合模压机、注入机等设备投资优势，使其得到日益广泛的应用。,103,RTM基本工艺一般是指在模具的型腔里预先放置增强材料(包括螺帽、聚氨酯泡沫塑料等嵌件)，夹紧后，从设置于适当位置的注入孔在一定温度及压力下将配好的树脂注入模具中，使之与增强材料一起固化，最后启模、脱模而得到成型制品。这是一种效率较高且保持制品内外光滑的成形方法，模具多为复合材料模具，成型用压机为100吨以下低压压机。,但制品尺寸受到模具限制，况且树脂损耗较大。它可以成形大型板、汽车部件、中等容器、雷达天线罩等制品。在美国RTM工艺被广泛地用于汽车制造业的原始模型制造、并正在考虑生产复合材料结构零件；船舶工业和小型导弹生产也采用了RTM工艺。,104,成型工艺流程主要包括：模具清理、脱模处理、胶衣涂布、胶衣固化、纤维及嵌件等安放、合模夹紧、树脂注入、树脂固化、启模、脱模、(二次加工)。,105,在胶衣涂布和固化的工序中，胶衣厚度一般取400500m，由于膜厚的分散性为操作者的技能所左右，有时要机械手进行喷涂。对胶衣树脂的性能有很多要求，例如：即使令其快速固化也不应因均化不足而发生气泡(针孔)，表面凸凹要少。进一步还要求即使固化时间不吻合也不应发生脱离现象。在纤维及嵌件等铺放过程中，一般使用预成型坯，预成型坯是在准备阶段将纤维制成与最终成型制品形状相近似的坯料，采用预成型可顺利转入后续工艺。在合模和夹紧模具工序中，根据所准备模具的结构，并适应模具尺寸、精度、锁模力、生产速度等，有的锁模机构设于模具自身内，有的用外设的简易合模压机夹紧，形式多样。,106,合模压缩的程度因使用纤维增强材料的种类、形态、纤维含量而变化，对于短切纤维预成型坯，如果纤维含量为(体积)15，则合模压力约为49-78kPa。需要注意的是，该合模压力由于始终没有考虑预成型纤维毡内单重分散性，所以与合模压机的设定无关。在树脂注入和固化的工序中，如果注入时间等于固化时间那是最理想的，但这是不可能的。RTM的成型周期可根据欲得成型制品所要求的产量而适当设定，但由于一套模具的成型周期内树脂固化时间所占比例很高，所以要充分考虑注入树脂的固化时间和固化特性。,107,泵,混合头,排气口,纤维层,引发剂,树脂,108,RTM工业化生产流程,109,RTM工业化生产集成控制技术,110,RTM生产线主要设备,主压机1,主压机2,胶衣喷涂机空压机组,111,生产线机械手切割,112,113,RTM模具类,114,卡车系列产品,115,影响RTM工艺的主要因素(1)压力压力是影响RTM工艺过程的主要参数之一。压力的高低决定模具的材料要求和结构设计，高的压力需要高强度、高刚度的模具和大的合模力。如果高的注胶压力与低的模具刚度结合，制造出的制件就要超差。RTM工艺希望的是在较低压力下完成树脂压注。为降低压力，可采取以下措施：降低树脂粘度；适当的模具注胶口和排气口设计；适当的纤维排布设计；降低注胶速度。,116,(2)注胶速度也是一个重要的工艺参数。注胶速度取决于树脂对纤维的润湿性和树脂的表面张力及粘度，受树脂的活性期、压注设备的能力、模具刚度、制件的尺寸和纤维含量的制约。人们希望获得高的注胶速度，以提高生产效率。从气泡排出的角度，也希望提高树脂的流动速度，但不希望速度的提高会伴随压力的升高。,117,充模的快慢也是影响质量的重要因素。纤维与树脂的结合除了需要用偶联剂预处理以加强树脂与纤维的化学结合力外，还需要有良好的树脂与纤维结合紧密性。这通常与充模时树脂的微观流动有关。可以用充模时的宏观流动来预测充模时产生夹杂气泡、熔接痕甚至充不满模等缺陷。用微观流动来估计树脂与纤维之间的浸渍和存在于微观纤维之间的微量气体的排除量。由于树脂对纤维的完全浸渍需要一定的时间和压力，较慢的充模速度和一定的充模反压有助于改善RTM的微观流动状况。但是充模时间增加降低了效率。这一对矛盾也是目前的研究热点。,118,(3)注胶温度注胶温度取决于树脂体系的活性期和最小粘度的温度。在不至太大缩短树脂凝胶时间的前提下，为了使树脂在最小的压力下使纤维获得充足的浸润，注胶温度应尽量接近最小树脂粘度的温度。过高的温度会缩短树脂的工作期。过低的温度会使树脂粘度增大，而使压力升高，也阻碍了树脂正常渗入纤维的能力。较高的温度会使树脂表面张力降低，使纤维床中的空气受热上升，因而有利于气泡的排出。,119,2.2.11连续成形法包括波纹板、平板连续成形和连续拉挤型材等方法。连续板生产是用树脂浸渍连续织物或毡片，上下两面用玻璃纸或薄膜盖上，复合物经模板或压辊达到一定厚度，并被牵引至加热炉中加热固化，然后切割成定尺寸的板材。连续型材生产是将连续粗纱浸渍后，牵引到模具内预成形，经过加热固化，连续拉挤成具有各种断面形状的材料，再根据长度切割。生产的型材可以加工成钓鱼杆、绝缘棒、高尔夫球杆、管子等制品。连续成形效率高，可大批量生产复合材料制品。,120,复合材料拉挤技术,2）进入导纱板,121,3）浸胶,4）进入模具,5）成品出模具,6）夹持切割,123,2.1.12热胀成形法（软模成形）热胀成型法以热胀材料为芯模，刚体材料为阴模，复合材料置于芯模与阴模之间，当模具受热后，由于芯模的体积膨胀受到了阴模的限制，则在模腔内产生压力，以实现对复合材料固化过程的加压。这种成型方法靠热胀产生压力，无需外压源，只需热源即可，适合于复合材料的整体结构的共固化成形。DC-10飞机方向舵后上段以及国内卫星结构等复合材料制品，就是采用热胀法成型的。芯模既可以采用实芯可膨胀橡胶（如硫化处理后的硅胶），又可采用能充气的橡胶囊。,梁类零件的复合加压模具,硅胶压模,125,2.2先进复合材料构件的制造技术用于飞机上的先进复合材料构件主要是由纤维增强型聚合物基（树脂）复合材料（FRP）制造的。其增强纤维主要是碳纤维和芳纶（Kevlar）纤维，基体树脂目前主要是热固性材料。,126,2.2.1工艺特点复合材料最大可能的纤维/树脂比最高机械性能、独特物理性能各向异性增强纤维排列的方向在制品的成形过程中，影响其剪切强度的重要因素是制品的空隙率。当制品空隙率低于4%时，空隙率每增加1%，层间剪切强度降低7%，而空隙率与工艺操作水平密切相关。FRP先进复合材料构件制造的最大工艺特点就是在完成材料制造的同时完成产品的制造。这一特点本身就使不少飞机构件省去了许多会造成安全隐患的连接件。,127,工艺研究的两个关键目标：1.提高工艺过程的重复性(质量稳定性)2.降低材料及制造成本,材料制造,途径：开发研究新的工艺方法和设备，对现有的成型工艺方法进行改进，引入计算机辅助设计、制造、分析技术，提高自动化、连续化和微机化程度。,128,2.2.2工艺技术和先进设备常用复合材料飞机零件类型和适用的成形方法：,层压结构,夹层结构,三维编织结构,129,1、典型真空袋成型工艺的铺层方式如下所示。该方法适用于手糊、喷射和预浸料工艺，并可以配合烘箱、热压罐使用。,铺预浸料,130,铺脱模布,131,铺透气毡,132,铺真空袋膜,133,抽真空加压,134,产品脱模,135,抽真空成型模具,1、金属模具,主要用于蜂窝夹层结构件和对单面有装配要求的层压件的成型。模板为铝的适用于铝蒙皮、蜂窝夹层胶接结构。模板为钢的适用于碳纤维预浸布蜂窝夹层结构。,137,2、复合材料模具,主要用于单面有装配要求的预浸布层压件和蜂窝夹层结构件的成型。,138,139,3、复合材料过渡模具,用于翻制复合材料成型模具,141,2.3热压罐成形技术广泛采用的先进复合材料结构、蜂窝夹芯结构或胶接结构的主要成型方法，可制造飞机上的主承力和次承力部件。成型零件有均匀的树脂含量、致密的内部结构、良好的内部质量。基本工艺：将复合材料毛坯、蜂窝夹芯结构或胶接结构用真空带密封在模具上，置于热压罐中，在真空（或非真空）状态下，经过升温、加压、保温、降温和卸压过程，使其固化成型。主要原材料为各种形式的预浸料。,142,热压罐加工材料范围广：金属胶粘剂胶接环氧树脂增强层压板热塑性塑料层压板金属、陶瓷、碳基材料,143,2.3.1热压罐固化系统热压罐系统的主要构件及其功能是：一个能承压的容器一个气体加压子系统一个能加热气流的热源和保证气流在容器内均匀循环的装置一个由真空袋覆盖的零件的抽真空子系统一个控制操作参数的子系统一个把模具送入热压罐的子系统,144,1.压力容器典型的压力容器是用优质碳钢制成的。厚度达150mm的金属板经辊压成形后用电弧焊接而成。罐体两端的半球形圆顶（端盖板）是用同类材料经压力成形或旋压而成。罐门的关闭装置、锁紧装置罐门常采用硅橡胶或氟橡胶进行有效的密封，避免门表面上的金属与金属的接触。隔热结构、衬筒以及支撑机构。典型隔热材料是呈片状或毡状的陶瓷纤维,145,压力容器壳体隔热结构、衬筒蛇形管支撑机构,148,2.气体加热和循环气源目前，热压罐系统可用几种方法加热：大型热压罐：间接气体加热法将外部燃烧室燃烧的产物，通过内部不锈钢蛇形管进行循环。工作可靠，有效热循环控制。最高工作温度450-540时采用。工作温度介于150175的热压罐常采用蒸汽加热。工作温度较低，很少用于复合材料胶接。小型热压罐（直径在2m以下）：电加热电加热元件安装在循环气流之中。加热元件为镍铬线或合金管做成。,149,气流循环：借助于安装在热压罐后部的风机完成。气体通过冷却蛇形管和加热器被吸入风机，然后通过环型通道沿罐体长度方向返回到热压罐门处，并从这里将气流引向工作区。工作区的空气循环速度应为1-3m