航空工程材料 5.7复合材料

树脂基复合材料的认知树脂基复合材料同样由树脂基体与增强纤维所组成。一.树脂基体树脂基体是复合材料另一个主要组分材料。在复合材料结构件成形过程中，树脂基体参与化学反应并固化成形为结构。因此，树脂基体固化工艺决定了结构件成形工艺和制造成本；不同树脂体系有不同工艺参数，而不同工艺方法要求不同的树脂体系。树脂基体对纤维起支撑、保护作用并传递载荷。因此，树脂基体性能直接关系到复合材料的使用温度和压缩性能，横向（90°)性能和剪切性能（包括层间剪切强度）等基本性能，以及耐湿热性能、抗冲击损伤性能和冲击后压缩强度CAI等，复合材料在飞机结构上应用得愈广，对树脂基体提出的要求也就愈多、愈苛刻。因此，树脂的品种、类型将会不断增加，性能不断改进。1.热固性树脂基体环氧树脂是最早用于飞机结构复合材料的树脂基体，而且至今在飞机结构用复合材料中，仍占主导地位。环氧树脂①材料品种多，不同的固化剂和促进剂可获得从室温到120℃的固化温度范围，加压带宽，使用温度，干态为80～120℃,湿态可达②与各种纤维匹配性好；③耐湿热性能较好，增韧环氧的韧性好，CAI值可高达300MPa④成形工艺性优良（铺覆性好、树脂粘度适中、流动性好固化时间2h左右，适合大构件整体共固化成形，预浸料贮存期长达2～6⑤机械加工性，制孔、切削性良好；⑥易维护、修理；⑦价格便宜。2）双马来酰亚胺树脂双马来酰亚胺树脂基体（BMI，双马树脂）是适应新一代战斗机对复合材料树脂基体提出的使用温度达200℃,且在130～150湿热环境条件下具有较高的竭度和模量保持率要求，而开发研制的改性双马来酰亚胺树脂。双马树脂与环氧树脂相比，主要表现为使用温度高（150~230℃)、耐湿热性能优越；不足之处是工艺性不如环氧树脂（BMI预浸料的铺覆性和粘性差一些固化温度高（开始固化并要求200~230℃的后处理），固化时间总计长达6h以上；贮存期短（室温下贮存期一般只有15～21天）；此外，使用中BMI复合材料构件易发生分3）聚酰亚胺树脂聚酰亚胺树脂是一种芳香杂环新型树脂，耐高温（可在250~300℃长期使用，350℃短期使用）、耐辐射、电性能较好，但其成形温度与成形压力高，韧性差，呈脆性给制件成形带来困难。聚酰亚胺复合材料适合制作耐热结构材料，如飞机发动机尾喷口区域的热端零2.热塑性树脂基体热塑性树脂基体较热固性树脂基体具有施工快、周期短、可以重复使用、贮存期长、容易修补、力学性能优良、韧性好、抗冲击、耐湿热等特点。目前应用较少的主要原因：原材料成本高、预浸料粘性和铺覆性差、成形温度高，350～450℃之间，成形工艺困难，生产经验缺乏。碳纤维/聚醚醚酮（PEEK）无纺布APC-2（ICI公司定名）是目前国外应用较多的预浸料品牌。用于制造舱门、隔板、直升机隔框等构件。抗冲击性能好，冲击后留有坑痕，易检查、修理。长期使用疲劳性能好，层间分层和裂纹也比热固性材料少很多。3．RTM用树脂RTM是ResinTransferMolding，树脂转移成形工艺的简称。RTM技术的主要特点是将增强纤维预成形件放置于模具中，闭合模具，向模具内注入树脂（低压注入，压力0.2～0.7MPa）或树脂膜熔浸预成形件，经固化成结构件。RTM工艺选用树脂一般要求：①树脂粘度低（180～200CP/25℃),低压下流动性好；②固化放热峰低，固化温度为中、低温，凝胶时间5～30min；③固化时无低分子物逸出（小于0.5%），不需要溶剂；④固化收缩率小；⑤贮存期长。对飞机结构件一般选用环氧类或双马类RTM树脂。PR500环氧是3M公司开发的单组分环氧RTM专用树脂，Tg为200℃,可承受175℃高温，具有好的抗冲击性；工艺性好，150℃下压注，粘度达60~100CP，175℃固化；树脂贮存期为室温6个月。二．增强纤维增强纤维是树脂基复合材料主要组分材料之一，是复合材料承载主体，选定纤维品种及其体积含量，即可预估出复合材料沿纤维方向（纵向）力学性能。单位体积纤维含量Vf，结构用复合材料单向板约为60%，织物增强板约为45%。飞机结构上应用的增强纤维有碳纤维、芳纶（Kevlar）、玻璃纤维和硼纤维等。碳纤维由于其性能好、纤维类型和规格多、成本适中等因素，在飞机结构上应用最广。芳纶性能虽然尚佳，但在湿热环境下性能有明显下降，一般不用作飞机主承力结构，多与碳纤维混杂使用。玻璃纤维由于模量低，仅用于次要结构（整流罩、舱内装饰结构等但其电性能、透波性适宜制作雷达罩等。硼纤维，因纤维直径太粗又刚硬，成形和加工性不好，价格又十分昂贵，故应用十分有限。目前，飞机结构广泛应用的增强纤维仍然是T300一类的高强度碳纤维及其复合材料。主要品牌有T300（日本，Toray公司）、AS4（美国，Hercules公司）、HTA（日本，Besfight公司）等。碳纤维发展方向主要有3个，即中模量高强度碳纤维T800、T1000，高模量碳纤维M50J、M60J和工业用廉价碳纤维。高性能纤维价格太贵，T800H的价格约为T300的3～5倍，T1000，M50J、M60J等价格更贵，因而制约了其应用范围。目前，性能优于T300的T700纤维，价格略贵一些，受到重视，正在进行结构应用研究。增强材料的基本形式有纤维丝束、编织布和针织布。纤维丝束是增强材料的最基本形式。纤维丝束一般以预浸渍树脂基体的按同一方向（经向）平行排列成的纤维束条带即单向带，供工艺成形结构使用。为了改善单向带工艺性能，将纤维丝束用少量维持纤维丝束经向排列的非承载作用的纬向纤维织成一种特殊的单向织物，又称无纬布或无纺布。无纬布浸渍树脂后也称为单向带，其纤维增强作用效果与纤维丝束单向带基本相同，但其铺覆工艺性大为改编织布（织物）是由经向纤维与纬向纤维编织而成，分平纹布和缎纹布。平纹布的经向与纬向纤维比例为1：1，布形稳定，不易弯折。缎纹布按经线与纬线编织时相交所间隔的纬线数目4、5、8不同的编织方式，有4综缎、5综缎、8综缎等缎纹布，各有各自的特点。如8综缎布浸渍树脂后体现了单向带特点，且整体性好，易铺贴。不同纤维混合编织物，为设计选材提供了更多的便利，织物可制成预浸料使针织布是用非增强纤维（机线）将增强纤维编织在一起形成的织物。其特点是增强纤维不扭曲，可有效传递载荷。针织布是制作预成形件的材料，不制成预浸料。三．结构成形工艺1.成形工艺技术特点复合材料结构制造工艺技术要保证能精确控制实现结构设计所确定的纤维方向，并且切断纤维的机械加工应尽量减少。热固性树脂基体，经热压工艺，在模具内进行固化反应，在结构（件）成形的同时材料形成。因此，要有完善的质量保证体系来保证成品率。共固化、二次胶接等工艺技术和正在采用的预成形件/RTM（或RFI）树脂转移成形工艺技术，可实现复合材料大型构件整体成形，既可大量减少机械加工和装配工作量，大幅度降低装配费用，还可改善结构使用性能。两者相比可见，树脂基复合材料成形工艺技术有如下显著特点：（1）应确保实现结构设计所确定的纤维铺设方向；（2）热压工艺成形，结构件成形与材料形成同时完成；（3）可实现大型构件整体成形，显著减少机械加工和装配工作；（4）需要完善的工艺质量控制体系，保证高成品率。2.成形工艺方法简介复合材料结构件成形工艺方法多种多样，各有其长。补充说明以（1）预浸料热压罐或软模、压力袋等成形工艺方法可获得高纤维体积含量（Vf≈60%）、力学性能优良、尺寸精确、重复性好的高质量零构件。共固化整体成形技术可制备大型整体飞机结构件，大大减少装配、连接工作量，提高结构效率。目前，复合材料飞机结构件主要采用这类成形工艺方法成形。这类方法预浸料制备与贮存投资和热压设备投资均较大，而且能耗高，再加之目前仍以手工铺层为主，制造成本自然较高。（2）纤维在线浸溃（有文献称为液体复合材料成形，LCM），没有预浸料制备过程，生产效率高。自动铺带法和纤维自动铺放法是在纤维缠绕法基础之上，发展起来的高度自动化、机械化的铺层方法。其关键技术是研制高度自动化的多轴纤维自动铺放机。（3）预成形件/树脂转移形成工艺方法目前正在积极开发推广应用。将纤维通过编织或织物缝合等技术手段制成所需构件形状的三维增强材料预成形件，以期解决（层合结构难以解决的）层间强度差问题。树脂浸渍预成形件的方式大致可分为两类：以树脂面内压力注入预成形件的树脂转移成形（简称RTM技术）为代表的一类和以树脂膜熔化后Z向（厚度方向）浸渍预成形件的树脂膜熔浸成形（简称RFI技术）为代表的另一类。预成形件制备设备投资很大，成形工艺需用RTM、RFI专用树脂，适合批量生产采用。（4）低温固化成形工艺技术是采用低温（80℃以下）、低压（真空压力）固化树脂复合材料制备高性能构件的成形技术，适合小批量生产应用。低温固化成形工艺的关键是研制开发低温低压固化的高性能树脂，即达到目前航空制件性能水平的低温固化树脂。3.整体化成形工