程塑料应用 209年第37卷,第10期 先进航空树脂基复合材料研究与应用进展 益小苏张明安学锋刘立朋 (中航工业北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室,北京100095) 摘要综述了国外先进航空复合材料在民用机和军用机上的研究与应用进展,指出了先进复合材料在航空领 域发展的方向和趋势,简述了先进复合材料国防科技重点实验室在以上方向上的研究进展。 关键词树脂基复合材料高韧性低成本技术整体制造数字化 树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、力学性能可 表1国外军用机上复合材料应用的具体情况 设计性强等一系列优点,是轻质高效结构设计最理想的材 机种「国别 料。用复合材料设计的航空结构可实现20%~30%的结 Rak法国30%垂尾机翼、机身结构的50%1986年 构减重复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀性能提高飞机结139瑞典0机翼、垂尾、前翼舱门等|198年 构的使用寿命,降低飞机结构的全寿命成本;复合材料结构 V22美国45 1989年 有利于整体设计和制造,可在提高飞机结构效率和可靠性的 F·22美国4机翼,前中机身垂尾平尾及大轴199年 同时,采用低成本整体制造工艺降低制造成本。可见复合材 EF-2000 40%机翼、前中机身垂尾前翼1994年 料的应用和发展是大幅提高飞机安全性经济性等市场竞争 指标的重要保证,复合材料的用量已成为衡量飞机先进性和RAH-6美国机整早走卖骨|9年 市场竞争力的重要标志。 39俄罗斯 机翼、进气道、机身 进入21世纪以来,复合材料技术在军用和民用飞行器 保形外挂架等 上的应用不断增加,据统计,从2003~2008年的5年期间, F35美国35%机翼、机身、垂尾、平尾、进气道2000年 航空航天领域碳纤维(CF)复合材料的增长达到123%,平均 表2民用客机复合材料用量 每年增长约25%。例如美国第4代战斗机F22的复合材料 机型 用量达到24%,5达到35%欧洲F20的复合材料用1204(50-18座)5 量高达40%,RAH:66击直升机复合材料用量为51%.伊尔9(187-230座)230 在民用航空方面,空中客车公司研制的A380复合材料用量 将达结构质量的25%,单机用量约65t美国波音787复8-767(200309) 合材料用量将达结构质量的50%,单机用量为25t可以看 B·777(350座以上) 出先进CF复合材料已经成为先进航空武器装备的主体材A31023150 A-320(150~186座 208 先进航空器核心性能的提升依赖于包括复合材料技术 A-340(251~350座 在内的关键技术的突破。目前,我国大飞机等国家重点工程 A-380(550~99座 中的相关复合材料研制计划已陆续启动,而我国的复合材料 图1示出国外复合材料在军用机和民用机上的应用过 在技术与应用水平上均落后于航空发达国家。在航空领域,程。由图1可以看出,不管是军用机,还是民用机,随着其先 “代材料、一代飞机”,“一代材料、一代装备”2,作为航空进性的提高,复合材料的用量也在增加,这充分说明了复合 主要材料之一的先进树脂基复合材料,其发展方向和趋势必材料的用量已成为衡量飞机先进性的重要标志 须建立在对国外航空复合材料发展和应用分析的基础上,以 在材料体系方面,国外己经具备完整的材料体系,具备 便明确先进航空器对复合材料的需求和目前国内的差距,为全面的材料性能数据库,为复合材料的应用提供了重要依 制定我国复合材料及其制造技术的发展策略促进复合材料据在材料应用方面,出于对降低成本的考虑,国外趋于尽量 快速发展,确保国家航空重点工程的完成奠定基础 选用较少的材料品种,实现一材多用目标;在材料研制方面 1国外先进航空树脂基复合材料研究与应用进展 发展高韧性、高耐湿热和良好工艺性能的材料体系成为研究 国外军用机和民用机复合材料的应用均可以分为3个的重要方向。国外先进飞机结构基本采用第3代以上韧性 阶段"23,其时间段上虽有小的出入,但基本上都经历了从树脂基复合材料先进民用机或运输机主承力结构全部采用 次承力构件·尾翼级主承力构件一机翼·机身主承力构件第4代韧性树脂基复合材料 的发展过程,目前已成为飞机结构的主要材料(见表1和表 收稿日期:2009-0721 91994-2010ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
先进航空树脂基复合材料研究与应用进展 益小苏 张 明 安学锋 刘立朋 (中航工业北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室 ,北京 100095) 摘要 综述了国外先进航空复合材料在民用机和军用机上的研究与应用进展 ,指出了先进复合材料在航空领 域发展的方向和趋势 ,简述了先进复合材料国防科技重点实验室在以上方向上的研究进展。 关键词 树脂基复合材料 高韧性 低成本技术 整体制造 数字化 树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、力学性能可 设计性强等一系列优点 ,是轻质高效结构设计最理想的材 料 [ 1 ]。用复合材料设计的航空结构可实现 20% ～30%的结 构减重 ;复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀性 ,能提高飞机结 构的使用寿命 ,降低飞机结构的全寿命成本 ;复合材料结构 有利于整体设计和制造 ,可在提高飞机结构效率和可靠性的 同时 ,采用低成本整体制造工艺降低制造成本。可见复合材 料的应用和发展是大幅提高飞机安全性、经济性等市场竞争 指标的重要保证 ,复合材料的用量已成为衡量飞机先进性和 市场竞争力的重要标志。 进入 21世纪以来 ,复合材料技术在军用和民用飞行器 上的应用不断增加 ,据统计 ,从 2003～2008年的 5年期间 , 航空航天领域碳纤维 (CF)复合材料的增长达到 123% ,平均 每年增长约 25%。例如美国第 4代战斗机 F22的复合材料 用量达到 24% , F35达到 35% ,欧洲 EF 2000的复合材料用 量高达 40% , RAH - 66攻击直升机复合材料用量为 51%。 在民用航空方面 ,空中客车公司研制的 A380复合材料用量 将达结构质量的 25% ,单机用量约 60. 5 t;美国波音 787复 合材料用量将达结构质量的 50% ,单机用量为 25 t,可以看 出先进 CF复合材料已经成为先进航空武器装备的主体材 料。 先进航空器核心性能的提升依赖于包括复合材料技术 在内的关键技术的突破。目前 ,我国大飞机等国家重点工程 中的相关复合材料研制计划已陆续启动 ,而我国的复合材料 在技术与应用水平上均落后于航空发达国家。在航空领域 , “一代材料、一代飞机 ”,“一代材料、一代装备 ”[ 2 ] ,作为航空 主要材料之一的先进树脂基复合材料 ,其发展方向和趋势必 须建立在对国外航空复合材料发展和应用分析的基础上 ,以 便明确先进航空器对复合材料的需求和目前国内的差距 ,为 制定我国复合材料及其制造技术的发展策略 ,促进复合材料 快速发展 ,确保国家航空重点工程的完成奠定基础。 1 国外先进航空树脂基复合材料研究与应用进展 国外军用机和民用机复合材料的应用均可以分为 3个 阶段 [ 2 - 3 ] ,其时间段上虽有小的出入 ,但基本上都经历了从 次承力构件 - 尾翼级主承力构件 - 机翼 - 机身主承力构件 的发展过程 ,目前已成为飞机结构的主要材料 (见表 1和表 2 [ 4 ] )。 表 1 国外军用机上复合材料应用的具体情况 机种 国别 用量 应用部位 首飞时间 Rafale 法国 30% 垂尾、机翼、机身结构的 50% 1986年 JAS - 39 瑞典 30% 机翼、垂尾、前翼、舱门等 1988年 V22 美国 45% 机翼、机身、发动机悬挂 接头、叶片紧固装置等 1989年 F - 22 美国 25%机翼、前中机身、垂尾平尾及大轴 1990年 EF - 2000 英、德、 意、西 40% 机翼、前中机身、垂尾、前翼 1994年 RAH - 66 美国 51% 机身蒙皮、舱门、中央龙骨 大梁、整流罩、旋翼等 1995年 Su - 39 俄罗斯 机翼、进气道、机身、 保形外挂架等 1997年 F - 35 美国 35% 机翼、机身、垂尾、平尾、进气道 2000年 表 2 民用客机复合材料用量 机型 最大起飞 质量 / t 结构质 量 / t 复合材料 用量 / t 图 204 (150～186座 ) 93. 5 29. 4 3. 2 伊尔 96 (187～250座 ) 230 65 4. 02 B - 757 (200座 ) 115 1. 4 B - 767 (200～300座 ) 187 1. 5 B - 777 (350座以上 ) 230 9. 9 A - 300 (251～350座 ) 165 51 6. 2 A - 310 (187～250座 ) 150 44. 7 6. 2 A - 320 (150～186座 ) 72 20. 8 4. 5 A - 340 (251～350座 ) 235 76 11 A - 380 (550～990座 ) 560 275 60. 5 图 1示出国外复合材料在军用机和民用机上的应用过 程。由图 1可以看出 ,不管是军用机 ,还是民用机 ,随着其先 进性的提高 ,复合材料的用量也在增加 ,这充分说明了复合 材料的用量已成为衡量飞机先进性的重要标志。 在材料体系方面 ,国外已经具备完整的材料体系 ,具备 全面的材料性能数据库 ,为复合材料的应用提供了重要依 据 ;在材料应用方面 ,出于对降低成本的考虑 ,国外趋于尽量 选用较少的材料品种 ,实现一材多用目标 ;在材料研制方面 , 发展高韧性、高耐湿热和良好工艺性能的材料体系成为研究 的重要方向。国外先进飞机结构基本采用第 3代以上韧性 树脂基复合材料 ,先进民用机或运输机主承力结构全部采用 第 4代韧性树脂基复合材料。 收稿日期 : 2009207221 72 工程塑料应用 2009年 ,第 37卷 ,第 10期
益小苏,等:先进航空树脂基复合材料研究与应用进展 EF2000 a-装配;b-铺层;c-材料;d-紧固件;e-固化 图3航空复合材料结构制造成本构成 表3国外研究开发和工程化研究项目分析表 1975198019851990199520002005201 军用飞机;。一民用飞机 美国ACEE1976 图1国外复合材料在飞机上应用的过程 1986 全材庸、壑翻 发展和应用高性能的增强纤维和高性能(主要是高韧 低传统复合材料成本 高损伤容限 性)树脂体系仍然是先进复合材料发展的重要目标。国外 计1951计信和机身主结构卫应用合材 1800级的CF用量己经逐渐增加,并有逐步取代1300级CF 实现先进复合材料设计理念和低成本制 的趋势,在保证复合材料良好的基本性能和湿热老化性能的 划2006飞机结构质量的60%,综合成 前提下,国外仍在继续提高复合材料的冲击后压缩强度 欧洲N(01是柔用复转技壁先 (CA埴值),以追求更高的减重效率和损伤安全性能。目前正 实现目标减重20%,降低成本20% 在应用的第3代复合材料的CAl值为210~250MPa,而下 机身和机翼验证平台进行 代复合材料CA埴值目标是340MPa(见图2) 欧洲 ALCAS|2005 2009 %,降低成本10%~20 波音787用 复合材料39002和空客A380的AS4/8552等,均为中模量高强度 发展方向 复合材料 CF和高韧性树脂体系,并适用于热压罐成型和RM及RFI 甲6376●▲52如3 v PMR15 第2代韧性 等低成本工艺,可以满足大型整体构件的成型要求 914●△ 复合材料 (2)以RM和RF代表的低成本成型技术 AFR400B RM和RF城成型技术的主要特征是能脱离传统复合材 直升机或 中高速飞 第1代复 低速飞机机结构 发动机结构用 合材料 料成型的热压罐成型,从而大大降低制件的工艺成本,同时 可以保持制件较高的设计效率,易于和编织、纺织等先进的 使用温度/℃ 环氧(EP)类;▲一双马来酰亚胺(BM1)类; 织造技术结合,能制造高纤维体积分数的大型复杂构件 一聚酰亚胺(P1)类 (3)整体化设计概念下的复杂制件整体制造技术 图2国外树脂基复合材料的韧性及其应用 复合材料低成本制造的另一个方面集中体现在高效的 在成型工艺方面,由于传统热压罐复合材料的工艺成本整体化设计,而整体化设计必然带来制件尺寸增大、复杂性 及由此所带来的后期装配及检修等全寿命成本高(见图增加,因此,在成型这类制件时除了采用适用于大型复杂制 351),极大地限制了先进航空复合材料的应用范围,因此要件成型的RM、RF技术外,在模具等工装方面也存在新的 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挑战 本。欧洲美国、日本和澳大利亚等从1986年开始先后启动 4)数字化虚拟制造技术 了 TANGO、 ALCASACT和CAl等计划(见表3),开展了降 国际先进复合材料技术目前的发展更倾向于利用虚拟 低复合材料成本的织物预成型技术、液体成型技术[树脂转的设计·制造·验证一体化环境,将真实的设计、制造、材 移模塑成型(RM)、树脂膜渗透成型(RFD]、自动铺带技料、验证、应用乃至维修和全寿命管理等诸多环节统一起来 术、自动铺丝技术、电子束固化等低成本制造技术的研究。从而最大限度地缩短新产品研制周期,降低研制成本,提高 通过验证,实现了复合材料在主承力结构上高质量低成本产品的市场竞争力 应用,使复合材料用量达到飞机结构质量的20%~30%,减 复合材料构件数字化制造技术是利用计算机软、硬件及 重20%~30%降低成本10%~20% 其网络环境实现产品设计制造的一种多学科的综合技术 2先进航空树脂基复合材料研究与应用方向 使传统的复合材料设计理念、制造流程发生了重大改变。传 通过对国外先进航空树脂基复合材料研究与应用进展统的复合材料构件制造是以手工为主,手工下料、手工定位 的分析,可以归纳出先进复合材料研究与应用发展的方向。手工铺叠,成本高,质量控制点多,且精度低,配合协调性及 (1)以高韧性为特征的高韧性复合材料体系 互换性差容易产生成型构件的超差。将制造过程数字化 目前应用于波音787飞机结构上的典型材料为1800/自动化是解决这些问题的唯一途径。随着结构实体设计软 201994-2010ChinaAcademicJournaleLectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图 1 国外复合材料在飞机上应用的过程 发展和应用高性能的增强纤维和高性能 (主要是高韧 性 )树脂体系仍然是先进复合材料发展的重要目标。国外 T800级的 CF用量已经逐渐增加 ,并有逐步取代 T300级 CF 的趋势 ,在保证复合材料良好的基本性能和湿热老化性能的 前提下 ,国外仍在继续提高复合材料的冲击后压缩强度 (CA I值 ) ,以追求更高的减重效率和损伤安全性能。目前正 在应用的第 3代复合材料的 CA I值为 210～250 MPa,而下 一代复合材料 CA I值目标是 340 MPa (见图 2)。 图 2 国外树脂基复合材料的韧性及其应用 在成型工艺方面 ,由于传统热压罐复合材料的工艺成本 及由此所带来的后期装配及检修等全寿命成本高 (见图 3 [ 5 ] ) ,极大地限制了先进航空复合材料的应用范围 ,因此要 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。欧洲、美国、日本和澳大利亚等从 1986年开始先后启动 了 TANGO、ALCAS、ACT和 CA I等计划 (见表 3) ,开展了降 低复合材料成本的织物预成型技术、液体成型技术 [树脂转 移模塑成型 (RTM )、树脂膜渗透成型 (RF I) ]、自动铺带技 术、自动铺丝技术、电子束固化等低成本制造技术的研究。 通过验证 ,实现了复合材料在主承力结构上高质量、低成本 应用 ,使复合材料用量达到飞机结构质量的 20% ～30% ,减 重 20% ～30% ,降低成本 10% ～20% [ 6 ]。 2 先进航空树脂基复合材料研究与应用方向 通过对国外先进航空树脂基复合材料研究与应用进展 的分析 ,可以归纳出先进复合材料研究与应用发展的方向。 (1)以高韧性为特征的高韧性复合材料体系 目前应用于波音 787飞机结构上的典型材料为 T800 / a—装配 ; b—铺层 ; c—材料 ; d—紧固件 ; e—固化 图 3 航空复合材料结构制造成本构成 表 3 国外研究开发和工程化研究项目分析表 计划 年限 主要目标 美国 ACEE 计划 1976～ 1986 加速复合材料在飞机舵面、机翼和机身 等结构上的应用 ,大幅降低飞机燃油成 本 美国 ACT 计划 1986～ 1996 降低传统复合材料成本 ,提高损伤容限 , 提升在机翼和机身主结构上应用复合材 料的信心 美国 CA I 计划 1996～ 2006 实现先进复合材料设计理念和低成本制 造技术质的飞跃 ,使复合材料用量达到 飞机结构质量的 60% ,综合成本降低 10% 欧洲 TANGO 计划 2001～ 2005 通过 4个验证平台 ,采用复合材料和先 进金属材料和制造技术进行技术验证 , 实现目标减重 20% ,降低成本 20% 欧洲 ALCAS 计划 2005～ 2009 选用两种飞机机身和机翼验证平台进行 验证 ,实现复合材料在主结构上高质量、 低成本应用 ,使复合材料用量达到飞机 结构质量的 20% ～30% ,减重 20% ～ 30% ,降低成本 10% ～20% 3900 - 2和空客 A380的 AS4 /8552等 ,均为中模量高强度 CF和高韧性树脂体系 ,并适用于热压罐成型和 RTM及 RF I 等低成本工艺 ,可以满足大型整体构件的成型要求。 (2)以 RTM和 RF I为代表的低成本成型技术 RTM和 RF I成型技术的主要特征是能脱离传统复合材 料成型的热压罐成型 ,从而大大降低制件的工艺成本 ,同时 可以保持制件较高的设计效率 ,易于和编织、纺织等先进的 织造技术结合 ,能制造高纤维体积分数的大型复杂构件。 (3)整体化设计概念下的复杂制件整体制造技术 复合材料低成本制造的另一个方面集中体现在高效的 整体化设计 ,而整体化设计必然带来制件尺寸增大、复杂性 增加 ,因此 ,在成型这类制件时 ,除了采用适用于大型复杂制 件成型的 RTM、RF I技术外 ,在模具等工装方面也存在新的 挑战。 (4)数字化虚拟制造技术 国际先进复合材料技术目前的发展更倾向于利用虚拟 的设计 - 制造 - 验证一体化环境 ,将真实的设计、制造、材 料、验证、应用乃至维修和全寿命管理等诸多环节统一起来 , 从而最大限度地缩短新产品研制周期 ,降低研制成本 ,提高 产品的市场竞争力 [ 7 ]。 复合材料构件数字化制造技术是利用计算机软、硬件及 其网络环境实现产品设计 /制造的一种多学科的综合技术 , 使传统的复合材料设计理念、制造流程发生了重大改变。传 统的复合材料构件制造是以手工为主 ,手工下料、手工定位、 手工铺叠 ,成本高 ,质量控制点多 ,且精度低 ,配合协调性及 互换性差 ,容易产生成型构件的超差。将制造过程数字化、 自动化是解决这些问题的唯一途径。随着结构实体设计软 益小苏 ,等 :先进航空树脂基复合材料研究与应用进展 73
程塑料应用 209年第37卷,第10期 件技术的普及、复合材料设计制造专用软件的开发和各种 专用设备的研制成功,数字化制造技术在航空工业得到了普 遍的应用。数字化制造技术在飞机复合材料构件制造上的 应用,不仅提高了产品质量和生产效率,还降低了制造成本 目前己成为复合材料构件制造的主流技术·0 3先进复合材料国防科技重点实验室的研究进展 中航工业先进复合材料国防科技重点实验室的使命是 从以航空工业为主的国家重大武器装备研究任务和工程化 应用研究过程中提炼基础性、关键性的复合材料研究课题 通过技术源头创新和系统集成创新,构筑先进复合材料的共 性研究平台和应用技术平台,支撑国防任务关键技术的突 破,带动先进复合材料的技术进步和跨越式发展,同时,在国 c、d-a图的局部放大 际复合材料的前沿进行创新性探索。下面将简要介绍重点 图5聚芳醚酮(PAEK)-BM玶面接触一维扩散模型体系形貌图 实验室在以上4个方向上的最新进展 试验证明,由于“离位”方法并不涉及基体树脂的化学 31复合材料高韧性化 本质,因此可较大幅度地提升EP、BM1和P1复合材料层压 从复合材料科学观点看,第1代航空复合材料是单一热板层间韧性见表4),同时保持其面内性质基本不变经 固性树脂与CF的简单层状复合(2·2复合)通过热反应诱过嘀位牧术增韧的复合材料螺接结构的挤压强度没有降 导失稳分相及其粗化过程,获得了颗粒状、双连续的3-3结低而且还略有提高,“寓位”技术增韧加筋板的损伤阻抗高 构然后再用这个基体制备复合材料。在此基础上,20世纪于未增韧加筋板,对于增韧和未增韧加筋板损伤在2倍疲 80~90年代产生了一系列第2代增韧树脂基复合材料,其劳寿命期间均未扩展;离位忮技术提高了加筋板的承载能 CA暄一般可达180~250MP但热塑性高分子室温下较力破坏应变)。嘀离位牧术可广泛应用于航空结构复 硬,也没有粘性这种增韧方法往往牺牲了原来热固性树脂合材料中。噶离位复合材料具有中国自主知识产权1 良好的手感粘性和预浸料的铺敷性,且这种增韧的CA埴上 表4几种典型航空树脂基复合材料的典型CA值 限通常低于300MPa,达不到设计上对新型民用航空复合材 及其寓位牧性的效果比较 料损伤容限的高要求(CA埴值为310MPa)。 为兼顾高损伤容限(CA值≥30)和优良的预浸料树雕基体温度/C切始态)(%位性)增益 工艺特性,在“插层“增韧复合材料基础上,先进复合材料国 中温EP70~100 170 防科技重点实验室创新性地发展了一种“离位”( Ex-situ)增 高温EP100~130160 韧技术,见图4m1。 聚苯并恶 BMI130~230150 剂的均匀混 32先进树脂转移模塑树脂基复合材料技术1 RM工艺的原理很简单,在压力注入或外加真空辅助 热固性成分 条件下,具有反应活性的低粘度液态树脂在闭合模具里流动 固化反应相同的扩散和溶解 周期结构 并排除气体,同时浸润并浸渍干态纤维结构。在完成浸润浸 基体中引入周 1起层间局部相 相互作 形成具有浓 渍后,树脂在模具内通过热引发交联反应完成固化,得到成 型的制品。这个过程中又可以分解成两个平行的子过程:流 动浸润浸渗、充模等物理过程和由低粘度液态树脂转变为 起始阶段相转变完成阶段 固体材料的化学反应过程。 图4“离位”技术思想与“位技术思想的异同比较 高性能的RM复合材料体系特指优异的流动性能(特 “离位增韧技术建立在热固性热塑性复相体系的反低粘度)、优异的韧性性能和优异的耐热性能体系。高性能 应诱导失稳分相理论基础上,热化学交联反应诱导的分相、RM树脂复合材料的第一个关键是专用树脂体系,先进复 相反转、相粗化所形成的双连续颗粒结构将导致这类复合体合材料国防科技重点实验室建立的主要RM液态成型树脂 系具有较好的增韧效果。 品种包括EP3266、BM16421及P19731等(见表5),其中EP 在材料制备技术上,“离位韧复合的关键是控制热3266和BM6421的粘度·温度曲线见图6和图7。从图 固性-热塑性复相树脂界面上的相互扩散和相变,尤其是当6和图7可以看出,这些树脂的粘度较低,且开放期长。 这种界面是平面状态(扩散运动退化为一维)时,从工艺制 高性能RM树脂复合材料的另一个关键是增强体。先 造角度考虑,须控制复相树脂的浸渗与流动,见图521 进复合材料国防科技重点实验室于2006年提出了ESCF 91994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
件技术的普及、复合材料设计 /制造专用软件的开发和各种 专用设备的研制成功 ,数字化制造技术在航空工业得到了普 遍的应用。数字化制造技术在飞机复合材料构件制造上的 应用 ,不仅提高了产品质量和生产效率 ,还降低了制造成本 , 目前已成为复合材料构件制造的主流技术 [ 8 - 10 ]。 3 先进复合材料国防科技重点实验室的研究进展 中航工业先进复合材料国防科技重点实验室的使命是 从以航空工业为主的国家重大武器装备研究任务和工程化 应用研究过程中提炼基础性、关键性的复合材料研究课题 , 通过技术源头创新和系统集成创新 ,构筑先进复合材料的共 性研究平台和应用技术平台 ,支撑国防任务关键技术的突 破 ,带动先进复合材料的技术进步和跨越式发展 ,同时 ,在国 际复合材料的前沿进行创新性探索。下面将简要介绍重点 实验室在以上 4个方向上的最新进展。 3. 1 复合材料高韧性化 从复合材料科学观点看 ,第 1代航空复合材料是单一热 固性树脂与 CF的简单层状复合 (2 - 2复合 ) ,通过热反应诱 导失稳分相及其粗化过程 ,获得了颗粒状、双连续的 3 - 3结 构 ,然后再用这个基体制备复合材料。在此基础上 , 20世纪 80～90年代产生了一系列第 2代增韧树脂基复合材料 ,其 CA I值一般可达 180～250 MPa。但热塑性高分子室温下较 硬 ,也没有粘性 ,这种增韧方法往往牺牲了原来热固性树脂 良好的手感粘性和预浸料的铺敷性 ,且这种增韧的 CA I值上 限通常低于 300 MPa,达不到设计上对新型民用航空复合材 料损伤容限的高要求 (CA I值为 310 MPa)。 为兼顾高损伤容限 (CA I值 ≥300 MPa)和优良的预浸料 工艺特性 ,在“插层 ”增韧复合材料基础上 ,先进复合材料国 防科技重点实验室创新性地发展了一种“离位 ”( Ex2situ)增 韧技术 ,见图 4 [ 11 ]。 图 4 “离位 ”技术思想与“原位 ”技术思想的异同比较 “离位 ”增韧技术建立在热固性 - 热塑性复相体系的反 应诱导失稳分相理论基础上 ,热化学交联反应诱导的分相、 相反转、相粗化所形成的双连续颗粒结构将导致这类复合体 系具有较好的增韧效果。 在材料制备技术上 ,“离位 ”增韧复合的关键是控制热 固性 - 热塑性复相树脂界面上的相互扩散和相变 ,尤其是当 这种界面是平面状态 (扩散运动退化为一维 )时 ,从工艺制 造角度考虑 ,须控制复相树脂的浸渗与流动 ,见图 5 [ 12 ]。 b、c、d—a图的局部放大 图 5 聚芳醚酮 ( PAEK) - BM I平面接触一维扩散模型体系形貌图 试验证明 ,由于“离位 ”方法并不涉及基体树脂的化学 本质 ,因此可较大幅度地提升 EP、BM I和 P I复合材料层压 板层间韧性 (见表 4) ,同时保持其面内性质基本不变 [ 13 ] ,经 过“离位 ”技术增韧的复合材料螺接结构的挤压强度没有降 低而且还略有提高 ,“离位 ”技术增韧加筋板的损伤阻抗高 于未增韧加筋板 ,对于增韧和未增韧加筋板 ,损伤在 2倍疲 劳寿命期间均未扩展 ;“离位 ”技术提高了加筋板的承载能 力 (破坏应变 ) [ 14 ]。“离位 ”技术可广泛应用于航空结构复 合材料中。“离位 ”复合材料具有中国自主知识产权 [ 15 ]。 表 4 几种典型航空树脂基复合材料的典型 CA I值 及其“离位 ”改性的效果比较 树脂基体 温度 /℃ CA I值 / MPa (初始态 ) CA I值 / MPa (“离位 ”改性 ) 增益 /% 中温 EP 70～100 200 340 170 高温 EP 100～130 160 320 200 聚苯并恶嗪 100～150 170 290 170 BM I 130～230 150 300 200 PI 230～280 180 320 178 3. 2 先进树脂转移模塑树脂基复合材料技术 [ 16 ] RTM工艺的原理很简单 ,在压力注入或外加真空辅助 条件下 ,具有反应活性的低粘度液态树脂在闭合模具里流动 并排除气体 ,同时浸润并浸渍干态纤维结构。在完成浸润浸 渍后 ,树脂在模具内通过热引发交联反应完成固化 ,得到成 型的制品。这个过程中又可以分解成两个平行的子过程 :流 动、浸润、浸渗、充模等物理过程和由低粘度液态树脂转变为 固体材料的化学反应过程。 高性能的 RTM复合材料体系特指优异的流动性能 (特 低粘度 )、优异的韧性性能和优异的耐热性能体系。高性能 RTM树脂复合材料的第一个关键是专用树脂体系 ,先进复 合材料国防科技重点实验室建立的主要 RTM液态成型树脂 品种包括 EP 3266、BM I 6421及 P I 9731等 (见表 5) ,其中 EP 3266和 BM I 6421的粘度 - 温度曲线见图 6和图 7 [ 17 ]。从图 6和图 7可以看出 ,这些树脂的粘度较低 ,且开放期长。 高性能 RTM树脂复合材料的另一个关键是增强体。先 进复合材料国防科技重点实验室于 2006年提出了 ES TM CF 74 工程塑料应用 2009年 ,第 37卷 ,第 10期
益小苏,等:先进航空树脂基复合材料研究与应用进展 表5重点实验室RM树脂体系 牌号耐温等级/d_类型注射温度/C开放期/h 中温EP 高温EP ≤130苯并恶嗪 ≤180 BM I ≤280 图9典型的 ES CH增强织物 而且金属可以加工出良好的表面粗糙度,这样制造出的复合 a400 材料具有较好的表面粗糙度。但是金属模具材料也存在 些缺点,例如,对于大尺寸构件而言,模具太大难以操作;大 型金属模具加工条件较高,耗时长,造价高。特别是对于复 杂中空结构(如图10),含有多个台阶,甚至是倒台阶中空结 构,金属模具的脱模更是变得十分困难,而先进复合材料国 60801 温度/℃ 防科技重点实验室拥有自主知识产权的水溶性芯模材料 图6EP3266树脂体系的动态粘温曲线(升温速率1℃/min) 可以顺利解决以上所有问题 9608100-12014016018 温度/℃ 图10大型中空复合材料帽型结构 7BM6421树脂体系的动态粘温曲线(升温速率2℃/mn) 水溶性芯模材料是一种新型的不烧陶瓷材料,其主要组 增强织物技术的新概念,其发展目标是全新的表面定型和层 分是水溶性胶粘剂和陶瓷粉体。水溶性胶粘剂实质上是水 间增韧双功能适用于不同的液态成型工艺技术(如RM技溶性高分子化合物的优化共混物,具有无毒无害、不刺激皮 术、RF肢术)和不同树脂体系(如EP聚苯并恶嗪、BM阳P1肤、受热分解时不释放有害气体混入砂中、能均匀地包裹在 等树脂体系)的需要,实现实验室小批量生产,为进一步产砂粒表面、粘附力强粘结强度高、用量少易成型、易溃散等 业化和市场开拓提供技术支持。ESMC增强织物的典型优点。图1为水溶性芯模材料成型复杂制件的过程示意 制备流程如图8x19。 图。图12为采用水溶性型芯成型的复杂复合材料制件 增韧剂→增韧膜 预成型体 体 ES预成型体 预成型体 增韧剂 增韧颗粒 分散涂布一整体化 混合浆料 烘干 功能成分 图8 ES CF增强织物的典型制备流程图 s88 利用 ES CF增强织物图9),重点实验室获得了RM 成型达到国际最高层间韧性和CA1值指标的复合材料 图11水溶性型芯成型复杂制件过程示意图21 (CA埴值≥250MPa),覆盖了航空主要复合材料系列及温度 范围(80~300℃),拥有中国和国际发明专利,研究成果顺 利进入国际市场,开创了我国航空复合材料技术直接创造市 场价值的先例。此外,先进复合材料国防科技重点实验室还 在RM的数字化、工程化技术方面取得进展 33大型复杂制件的整体成型制造技术 在成型技术方面,复合材料整体化制造技术的一个突破 图12采用水溶性型芯成型的大型复杂结构整体制件 口是模具技术。树脂基复合材料在制造过程中通常选用金34数字化虚拟制造技术 属模具材料,因为金属材料具有高的热导率和良好的刚度, 为强化先进复合材料国防科技重点实验室在数字化虚 g1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
表 5 重点实验室 RTM树脂体系 牌号 耐温等级 /℃ 类型 注射温度 /℃ 开放期 /h 3266 ≤70 中温 EP 40 ≥12 5284 ≤130 高温 EP 80 ≥48 RTM - BO ≤130 苯并恶嗪 100 ≥24 6421 ≤180 BM I 110 ≥10 9731 ≤280 P I 260 ≥8 增强织物技术的新概念 ,其发展目标是全新的表面定型和层 间增韧双功能 ,适用于不同的液态成型工艺技术 (如 RTM技 术、RF I技术 )和不同树脂体系 (如 EP、聚苯并恶嗪、BM I和 P I 等树脂体系 )的需要 ,实现实验室小批量生产 ,为进一步产 业化和市场开拓提供技术支持。ES TM CF增强织物的典型 制备流程如图 8 [ 18 - 19 ]。 图 8 ES TM CF增强织物的典型制备流程图 利用 ES TM CF增强织物 (图 9) ,重点实验室获得了 RTM 成型、达到国际最高层间韧性和 CA I值指标的复合材料 (CA I值 ≥250 MPa) ,覆盖了航空主要复合材料系列及温度 范围 (80～300℃) ,拥有中国和国际发明专利 ,研究成果顺 利进入国际市场 ,开创了我国航空复合材料技术直接创造市 场价值的先例。此外 ,先进复合材料国防科技重点实验室还 在 RTM的数字化、工程化技术方面取得进展。 3. 3 大型复杂制件的整体成型制造技术 在成型技术方面 ,复合材料整体化制造技术的一个突破 口是模具技术。树脂基复合材料在制造过程中通常选用金 属模具材料 ,因为金属材料具有高的热导率和良好的刚度 , 图 9 典型的 ES TM CF增强织物 而且金属可以加工出良好的表面粗糙度 ,这样制造出的复合 材料具有较好的表面粗糙度。但是金属模具材料也存在一 些缺点 ,例如 ,对于大尺寸构件而言 ,模具太大难以操作 ;大 型金属模具加工条件较高 ,耗时长 ,造价高。特别是对于复 杂中空结构 (如图 10) ,含有多个台阶 ,甚至是倒台阶中空结 构 ,金属模具的脱模更是变得十分困难 ,而先进复合材料国 防科技重点实验室拥有自主知识产权 [ 20 ]的水溶性芯模材料 可以顺利解决以上所有问题。 图 10 大型中空复合材料帽型结构 水溶性芯模材料是一种新型的不烧陶瓷材料 ,其主要组 分是水溶性胶粘剂和陶瓷粉体。水溶性胶粘剂实质上是水 溶性高分子化合物的优化共混物 ,具有无毒无害、不刺激皮 肤、受热分解时不释放有害气体混入砂中、能均匀地包裹在 砂粒表面、粘附力强、粘结强度高、用量少、易成型、易溃散等 优点。图 11为水溶性芯模材料成型复杂制件的过程示意 图。图 12为采用水溶性型芯成型的复杂复合材料制件。 3. 4 数字化虚拟制造技术 为强化先进复合材料国防科技重点实验室在数字化虚 益小苏 ,等 :先进航空树脂基复合材料研究与应用进展 75
程塑料应用 2009年,第37卷,第10期 拟制造技术方面的力量,实验室于2006年和ESI公司建立4结语 了复合材料仿真技术联合实验室( LAC-ESPATE复合材料仿 先进复合材料在航空器上的用量已成为衡量其先进性 真技术中心),推进数字化虛拟制造技术在航空复合材料领和市场竞争力的重要标志之一。笔者综述了国外先进航空 域的应用。 复合材料在民用机和军用机上的用量、材料体系、成型工艺 以RM制备船用全复合材料推进螺旋桨的虚拟设计和等方面的进展,指出了先进复合材料在航空领域发展的高韧 实验为例,其数字化虚拟制造过程的流程见图13。先进复性化、低成本、整体化制造及数字化虚拟制造等方向和趋势 合材料国防科技重点实验室采用RM软件和有限元方法,简要报告了先进复合材料国防科技重点实验室在以上方向 对液态复合材料注射成型的工艺过程进行仿真设计。首先上的创新性研究进展 以螺旋桨桨叶的外形几何数据为基础,生成几何模型及数控 参考文献 加工文件,然后根据应力分析结果选择织物确定复合材料1关志东现代大型客机复合材料应用及技术发展[C]/杜善 构件纤维体积含量。在不同厚度处不同的铺层由各处曲面 义.第十五届复合材料学术会议论文集哈尔滨,2008:8-12 展开得来,复合材料制件铺层开片、下料和铺贴的数字化工[2]李晓红.大视野,2008(5):21-28 具包括 SysPly、 Fibers、 FAM-RIM等软件。将这些铺层开3]陈绍杰航空制造技术,2008(15):32-37 片在定型模具内逐层铺贴、固定,借助合适的定型剂进行施4]沈军等玻璃钢合材料,20065):4854 工,并进行真空袋定型预制,就得到干态近净型的船用螺旋5]颜鸣皋等航空制造技术,00(12):19 桨桨叶预制件。根据初步确定的RM模具,这个桨叶预制 6]梁滨材料导报,2009,4(4):77-80 件的RM工艺过程可以在CAE环境下进行。 7]益小苏等航空制造技术,2008(14):34-39 [8]陈利平等.中国制造业信息化,2009,38(5):43-48 虚拟设计 虚拟样机 团科 10]韩克岑等航空制造技术,2006(1):50 分 1]安学锋基于复相体系的层状化增韧复合材料研究[D]杭 团料但 力分相 州:渐江大学,2004 分 12]程群峰.双马来酰亚胺树脂基复合材料的离位增韧研究 ]杭州:浙江大学,2007 13]益小苏.先进复合材料技术研究与发展[M]北京:国防工业 仅化 出版社,2006 可体分 4]吴平等洪都科技,2008(4):18-25 图13数字化虚拟制造流程图 151益小苏 在RM模具和工艺虚拟设计和优化的基础上,将真实161益小苏先进树脂转移模塑树脂基复合材料技术研究进展 的桨叶预制件放入真实的RM模具,即可进行RM注胶工 [C]∥杜善义第十五届复合材料学术会议论文集哈尔滨 艺试验。在模型桨叶试验的基础上重点实验室进行了放大 2008:13-18 制备成功我国第一个1】船用大型全复合材料推进螺旋桨 17]张明,等.材料工程,2005,265(6):50-53 见图14 18]安学锋等航空制造技术,2008(15):90·91 19]安学锋,等.液态成型用增韧-预定型双功能增强织物研究 C]∥杜善义第十五届复合材料学术会议论文集.哈尔滨 2008:483-486 [20]益小苏,等.一种水溶性模芯的制备方法:中国,101229574 [P]2007-12-29 [21 Wang L ing Perfomance and ae nspace applicatons of watersohr ble toling materials[C) Shanghai: SAMPE, 200& 图14全尺寸复合材料推进螺旋桨 DEVELOMMENT AND APPL ICATIONOF AD VANCED AERONAUTICAL POLYMER MATRIX COM POSITES National Key Laboratory of Advanced Camposites, Beijing Institute of Aeonautical Materals, AV C, Beijing 100095, China) ABSTRACT The oversea devebpment and app licaton of the advanced polymer matrix camposites was firstly summarized Sev- eral further research directons of the aeronautical composites were put foward based on the above introduction Subsequently the devel- opment and app lication on the forward research directon of the Natonal Key laboratory of Advanced Camposites was briefly intro- KEYWORDS polymermatrix composites, high bughness, bw"cost techno bgy, integrated manufacture, digital technobgy 91994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
拟制造技术方面的力量 ,实验室于 2006年和 ESI公司建立 了复合材料仿真技术联合实验室 (LAC2ESI2ATE复合材料仿 真技术中心 ) ,推进数字化虚拟制造技术在航空复合材料领 域的应用。 以 RTM制备船用全复合材料推进螺旋桨的虚拟设计和 实验为例 ,其数字化虚拟制造过程的流程见图 13。先进复 合材料国防科技重点实验室采用 RTM软件和有限元方法 , 对液态复合材料注射成型的工艺过程进行仿真设计。首先 以螺旋桨桨叶的外形几何数据为基础 ,生成几何模型及数控 加工文件 ,然后根据应力分析结果选择织物 ,确定复合材料 构件纤维体积含量。在不同厚度处不同的铺层由各处曲面 展开得来 ,复合材料制件铺层开片、下料和铺贴的数字化工 具包括 SysPly、FiberSim、FAM2RTM 等软件。将这些铺层开 片在定型模具内逐层铺贴、固定 ,借助合适的定型剂进行施 工 ,并进行真空袋定型预制 ,就得到干态、近净型的船用螺旋 桨桨叶预制件。根据初步确定的 RTM 模具 ,这个桨叶预制 件的 RTM工艺过程可以在 CAE环境下进行。 图 13 数字化虚拟制造流程图 在 RTM模具和工艺虚拟设计和优化的基础上 ,将真实 的桨叶预制件放入真实的 RTM模具 ,即可进行 RTM注胶工 艺试验。在模型桨叶试验的基础上重点实验室进行了放大 , 制备成功我国第一个 1∶1船用大型全复合材料推进螺旋桨 , 见图 14。 图 14 全尺寸复合材料推进螺旋桨 4 结语 先进复合材料在航空器上的用量已成为衡量其先进性 和市场竞争力的重要标志之一。笔者综述了国外先进航空 复合材料在民用机和军用机上的用量、材料体系、成型工艺 等方面的进展 ,指出了先进复合材料在航空领域发展的高韧 性化、低成本、整体化制造及数字化虚拟制造等方向和趋势 , 简要报告了先进复合材料国防科技重点实验室在以上方向 上的创新性研究进展。 参 考 文 献 [ 1 ] 关志东. 现代大型客机复合材料应用及技术发展 [ C ] ∥杜善 义. 第十五届复合材料学术会议论文集. 哈尔滨 , 2008: 8 - 12. [ 2 ] 李晓红. 大视野 , 2008 (5) : 21 - 28. [ 3 ] 陈绍杰. 航空制造技术 , 2008 (15) : 32 - 37. [ 4 ] 沈军 ,等. 玻璃钢 /复合材料 , 2006 (5) : 48 - 54. [ 5 ] 颜鸣皋 ,等. 航空制造技术 , 2003 (12) : 19 - 25. [ 6 ] 梁滨. 材料导报 , 2009, 4 (4) : 77 - 80. [ 7 ] 益小苏 ,等. 航空制造技术 , 2008 (14) : 34 - 39. [ 8 ] 陈利平 ,等. 中国制造业信息化 , 2009, 38 (5) : 43 - 48. [ 9 ] 张丽华 ,等. 北京航空航天大学学报 , 2008, 34 (7) : 807 - 811. [ 10 ] 韩克岑 ,等. 航空制造技术 , 2006 (1) : 50 - 52. [ 11 ] 安学锋. 基于复相体系的层状化增韧复合材料研究 [D ]. 杭 州 :浙江大学 , 2004. [ 12 ] 程群峰. 双马来酰亚胺树脂基复合材料的离位增韧研究 [D ]. 杭州 :浙江大学 , 2007. [ 13 ] 益小苏. 先进复合材料技术研究与发展 [M ]. 北京 :国防工业 出版社 , 2006. [ 14 ] 吴平 ,等. 洪都科技 , 2008 (4) : 18 - 25. [ 15 ] 益小苏 ,等. 科技导报 , 2008, 26 (6) : 84 - 92. [ 16 ] 益小苏. 先进树脂转移模塑树脂基复合材料技术研究进展 [C ]∥杜善义. 第十五届复合材料学术会议论文集. 哈尔滨 , 2008: 13 - 18. [ 17 ] 张明 ,等. 材料工程 , 2005, 265 (6) : 50 - 53. [ 18 ] 安学锋 ,等. 航空制造技术 , 2008 (15) : 90 - 91. [ 19 ] 安学锋 ,等. 液态成型用增韧 - 预定型双功能增强织物研究 [C ]∥杜善义. 第十五届复合材料学术会议论文集. 哈尔滨 , 2008: 483 - 486. [ 20 ] 益小苏 ,等. 一种水溶性模芯的制备方法 :中国 , 101229574 [ P ]. 2007212229. [ 21 ] WangLing. Performance and aerospace app lications ofwater2solu2 ble tooling materials[ C ]. Shanghai: SAMPE, 2008. D EVELOPM ENT AND APPL ICATION O F AD VANCED AERONAUTICAL POLYM ER M ATR IX COM POSITES Yi Xiaosu, ZhangM ing, An Xuefeng, Liu L ipeng (National Key Laboratory of Advanced Composites, Beijing Institute of AeronauticalMaterials, AV IC, Beijing 100095, China) ABSTRACT The oversea development and app lication of the advanced polymermatrix composites was firstly summarized. Sev2 eral further research directions of the aeronautical compositeswere put forward based on the above introduction. Subsequently the devel2 opment and app lication on the forward research direction of the National Key Laboratory of Advanced Composites was briefly intro2 duced. KEYWORD S polymer2matrix composites, high toughness, low2cost technology, integrated manufacture, digital technology 76 工程塑料应用 2009年 ,第 37卷 ,第 10期