第23卷增刊 航空材料学报 203年10月 JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS October 2003 先进树脂基复合材料的发展和应用 陈祥宝 (北京航空材料研究院,北京100095) 摘要:先进树脂基复合材料在航空领域应用日益广泛,继铝、钢、钛之后,已迅速发展成为四大航空结构材料之 。本文主要介绍先进树脂基复合材料在航空工业的应用、复合材料的发展现状以及先进复合材料的发展趋 关键词:复合材料;发展;应用 中图分类号:TB332 文獻标识码:A文章编号:1005-5053(2003)S0019807 先进树脂基复合材料由于其比强度和比刚度皮,框,梁,壁板等,成型工艺技术主要为热压罐和 高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构RTM成型 尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形的独特优 先进树脂基复合材料在民机上的应用情况也 点,已经在航空、航天等领域广泛应用。目前先进日益增加,如B757复合材料用量1429kg,B767 的军用飞机复合材料用量达到25%左右,先进的复合材料用量1524kg,最新研制的B777复合材 民用客机,如空客系列飞机,复合材料的用量也达料用量则增强到990kg,占结构总重的11%。欧 到15%~20%。先进树脂基复合材料用于飞机 洲的A300系列用量多者可达结构总重的15%左 结构上可相应减重25%-30%,这是其他先进技 右,如A340复合材料用量达11t,占结构总重的 术无法达到的效果。通过复合材料结构/材料/工13%,正在研制的A380飞机先进复合材料的应 艺综合研究和材料/工艺/设计/电子/气动等学科用部位包括垂尾、副翼、方向舵、鸭翼、腹鳍。法意 交叉,深层次开发复合材料结构与功能可设计性联合研制的支线客机ATR72,由于采用了复合 潜力,在先进战斗机中使用结构/隐身、气弹剪裁材料机翼,用量高达20%。最近美国的NASA与 等一体化技术,可进一步明显提高飞机的综合性波音麦道合作,拟研制干线客机的复合材料机 能。本文主要介绍先进树脂基复合材料在航空工翼、机身结构,以进一步扩大用量。大型民机上复 业的应用、复合材料的发展现状以及先进复合材合材料机翼、机身的出现或许指日可待。表1为 料的发展趋势。 民用客机复合材料的用量。 现代直升机复合材料的用量较一般军民机还 1先进树脂基复合材料在航空工业要多。美国对直升机有一个ACAP计划(先进树 的应用 脂基复合材料应用计划),在此计划下研制的 H360,S-75,BK117和V-22等直升机均大量采 先进树脂基复合材料在军用飞机上的应用了复合材料,如垂直起落倾转旋翼后又能高速 20多年来走过了一条由小到大,由弱到强,由少巡航的V22用复合材料近3000g,结构总重 到多,由结构受力到增加功能的道路。第三代歼4%左右,其中包括机身机翼的大部分结构以及 击机如法国的Rale瑞典的JAS39,树脂基复合发动机悬挂接头和叶片紧固装置。先进武装直升 材料用量分别达40%和30%,第四代歼击机如美机,如PAH2虎式武装直升机,复合材料用量达 国的F22和F-35,树脂基复合材料用量分别达 直升机机身结构重量45%,主要用于前机身、中 24%和30%以上。F-22飞机主要应用耐热 机身、机身尾段、平尾、垂尾,结构形式包括层合板 150℃以上IM7中模量碳纤维增强韧性BMI复 和夹层结构。美国最新研制的轻型侦察攻击直升 合材料,应用的主要部位包括前、中机身,机翼蒙机RAH66,具有隐身能力,复合材料用量约占机 身结构重量的54%左右,机身龙骨大梁长7.62m, 收稿日期:2003-06-15;修订日期:2003-08-31 铺层最多达1000层。法德合作研制的Tger(虎) 作者简介:陈祥宝(1956-),男,研究员。 式武装直升机,复合材料用量也高达45%。 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 卷 增 刊 年 月 航 空 材 料 学 报 【 〕 , , 先进 树脂基复合材料 的发展 和 应 用 陈祥 宝 北京航空 材料研究 院 , 北 京 摘要 先进树脂基复合材 料在航 空 领域应 用 日益 广 泛 , 继 铝 、 钢 、 钦之后 , 已 迅 速发 展成 为 四 大航 空 结 构材 料 之 一 。 本文 主要介绍先进树脂基复合材 料 在航 空 工 业 的应 用 、 复合 材 料 的发展 现 状 以 及 先进 复合材 料 的发展 趋 势 。 关 键 词 复合材料 发展 应 用 中图 分 类号 文 献标识 码 文 章编 号 一 一 一 先进 树脂基 复合材 料 由于其 比强 度 和 比刚度 高 、 可设计性强 、 抗疲劳 断裂性 能好 、 耐腐蚀 、 结构 尺 寸稳定性好 以 及便 于大 面积 整体成 形 的独特优 点 , 已 经 在航 空 、 航天等领域广泛应 用 。 目前先进 的军用 飞机 复合材料 用 量 达 到 左右 , 先 进 的 民用 客 机 , 如空 客 系列 飞机 , 复合材 料 的用 量 也达 到 一 。 先 进 树脂 基 复 合 材 料用 于 飞 机 结构上 可 相应 减 重 一 , 这是 其 他 先进 技 术无法达 到 的效果 。 通 过 复 合 材 料 结 构 材 料 工 艺综合 研 究 和 材 料 工 艺 设 计 电子 气 动 等 学 科 交叉 , 深层次 开 发 复 合 材 料 结 构 与 功 能 可设计性 潜力 , 在先 进 战 斗 机 中使用 结 构 隐身 、 气 弹 剪 裁 等一 体化 技术 , 可 进 一 步 明显 提 高飞 机 的综合 性 能 。 本 文 主要介 绍先进 树脂基复合材 料在航 空 工 业 的应 用 、 复合 材 料 的发 展 现 状 以 及 先 进 复 合 材 料 的发展趋 势 。 先进 树脂 基 复合 材 料在航 空 工 业 的应用 先进 树 脂 基 复 合 材 料 在 军 用 飞 机 上 的应 用 多年来 走 过 了一 条 由小 到 大 , 由弱 到 强 , 由少 到多 , 由结构 受 力 到 增 加 功 能 的道 路 。 第三 代 歼 击机如 法 国 的 、 瑞典 的 一 , 树脂基复合 材料用 量分别 达 和 , 第 四 代歼击机如美 国 的 一 和 一 , 树 脂 基 复 合 材 料 用 量 分 别 达 和 以 上 。 一 飞 机 主 要 应 用 耐 热 ℃以上 中模 量 碳 纤 维 增 强 韧 性 复 合 材 料 , 应 用 的主要 部 位 包 括前 、 中机 身 , 机翼 蒙 收稿 日期 一 一 修订 日期 一 一 作者 简介 陈祥宝 一 , 男 , 研究员 。 皮 , 框 , 梁 , 壁板 等 , 成型 工艺 技术 主要为 热压罐和 成 型 。 先进 树脂基 复合材料在 民机上 的应 用情况 也 日益 增 加 , 如 一 复合 材 料 用 量 , 一 复合 材料 用 量 巧 , 最 新 研制 的 一 复 合材 料用量则 增 强 到 , 占结构 总重 的 。 欧 洲 的 系列 用量 多者可达结构 总重 的 巧 左 右 , 如 复 合 材 料 用 量 达 , 占结构 总 重 的 , 正在研 制 的 飞 机 先 进 复 合 材 料 的应 用部位包 括垂尾 、 副翼 、 方 向舵 、 鸭翼 、 腹 鳍 。 法 意 联合研制 的 支 线 客 机 一 , 由 于 采 用 了 复 合 材料机翼 , 用 量高达 。 最 近美 国 的 与 波音 麦道 合 作 , 拟 研 制 干 线 客 机 的 复 合 材 料 机 翼 、 机 身结构 , 以进 一步扩大用 量 。 大型 民机上 复 合材 料机 翼 、 机 身 的 出现 或许 指 日可 待 。 表 为 民用客 机 复合材料 的用量 。 现代直升机 复合材料 的用量 较 一般 军 民 机还 要 多 。 美 国对 直 升机 有 一个 计 划 先 进 树 脂基 复 合 材 料 应 用 计 划 , 在 此 计 划 下 研 制 的 , 一 , 一 和 一 等 直 升 机 均 大 量 采 用 了复合材料 , 如 垂 直 起 落倾转 旋 翼 后 又 能 高 速 巡航 的 一 用 复 合材 料 近 , 占结 构 总重 左 右 , 其 中包 括 机 身机 翼 的大部 分结 构 以及 发 动机悬挂接 头 和 叶片紧 固装置 。 先进武装直升 机 , 如 一 虎 式 武 装 直升 机 , 复合 材 料用 量 达 直升机机 身 结 构 重 量 , 主 要 用 于 前 机 身 、 中 机 身 、 机身尾段 、 平尾 、 垂尾 , 结 构形式包括层合板 和夹层 结构 。 美 国最新研制 的轻 型 侦察攻击直升 机 一 , 具有 隐身 能力 , 复合材 料 用 量 约 占机 身结构重 量 的 左右 , 机 身龙 骨大梁 长 , 铺层最 多达 层 。 法德合作研制 的 虎 式武装 直升机 , 复合材料用 量也 高达
增刊 先进树脂基复合材料的发展和应用 199 表1民用客机复合材料的用量 Table 1 Applied weight of composites in aircraft Aircraft Number of passengers Takeoff weight /t Structure weight /t Composite weight /t Tu204 150-186 -96 230 65 A300 251-350 A-320 A-340 251~350 B-777 350~380 2先进树脂基复合材料发展的现状0GPa,断裂强度达2~4GPa,密度为0.97 增强材料先进树脂基复合材料常用的增强 1.47g/cm3。PPTA纤维的最大缺点是压缩和横 纤维包括碳纤维和其他高性能有机纤维。日前关 向拉伸性能差。在复合材料构件生产中的热收缩 于碳纤维(CF)的研究,主要是如何提高模量和强 应力就可能导致纤维劈裂,水分会沿着劈裂的纤 度、降低生产成本。 维进入复合材料而加速复合材料的失效。PBO 高性能有机纤维包括柔性链结构的超高强度 纤维具有高结晶度、低密度、高的拉伸强度和模 聚乙烯纤维( UHMPE),芳纶纤维(PPTA)和刚性 量,还具有极好的阻燃性能以及受冲击时纤维大 链结构的PBO纤维。 UHMPE密度低,拉伸强度 量原纤化,吸收大量的冲击能。PBO纤维的一个 和模量极高。随着釆用等离子处理方法解决了它 缺点是压缩性能和横向拉伸强度低。表2是部分 和基体粘结差的问题, UHMPE纤维的应用越来 碳纤维, UHMPE,PPTA和PBO纤维的典型性 能 越多。PPTA纤维是杜邦公司在70年代初研制 的,目前PPTA纤维的拉伸模量已达100 树脂基体复合材料髙性能树脂基体的研究 表2几种增强纤维的典型性能 Table 2 The properties of reinforce fibres Density /gcm-2 Tensile strength/MPa Tensile module/GPa ailure strain/% 2900 230 1.7 I700s 2.2 475 4020 540 0.8 1.81 1.80 K-4 K149 2600 179 1.3 PBO HM type .97 Spectra 1000 0.97 172 UHMPE SK-77 140 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
增刊 先进树脂基 复合材料 的发展 和应 用 表 民用 客机 复合材料 的用量 儿 玲 八 八 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 先进树脂基 复合材料发展 的现 状 增 强材料 先进树脂基复合材料 常用 的增强 纤维包括碳纤维和其他 高性 能有机纤维 。 目前关 于碳纤 维 的研究 , 主要是 如何 提 高模 量 和 强 度 、 降低生产成本 。 高性 能有机纤 维包括柔性链结构 的超高强度 聚 乙 烯纤维 , 芳纶 纤 维 和 刚性 链 结构 的 纤维 。 密 度低 , 拉 伸强 度 和模量极高 。 随着采用 等离 子处 理方法解决 了它 和基体粘 结 差 的 问题 , 纤 维 的应 用 越 来 越多 。 纤维 是 杜 邦公 司 在 年 代 初 研 制 的 , 目 前 , 纤 维 的 拉 伸 模 量 已 达 一 , 断 裂 强 度 达 一 , 密 度 为 一 , 。 纤 维 的最 大 缺 点 是 压 缩 和 横 向拉伸性能 差 。 在复合材料构件生产 中的热 收缩 应力就可能导 致 纤 维劈裂 , 水 分 会 沿 着劈裂 的纤 维进 人 复 合 材 料 而 加 速 复 合 材 料 的 失 效 。 纤 维 具 有 高结 晶度 、 低 密 度 、 高 的拉 伸 强 度 和 模 量 , 还具有极好 的阻燃 性 能 以 及 受 冲击 时纤维 大 量原纤 化 , 吸 收 大量 的冲击 能 。 纤 维 的一 个 缺点是压缩性 能和横 向拉伸强度低 。 表 是部分 碳 纤 维 , , , 和 纤 维 的 典 型 性 育匕 。 树脂 基体 复合材 料 高性 能树脂基体 的研 究 表 〕 几种 增强纤 维的典型性能 〕 · 一 、 · 一 一 一 印 一 一
200 航空材料学报 第23卷 主要围绕着改善耐湿热性能、提高韧性和工作温性,已经发展的5260树脂,其复合材料的冲击后 压缩强度(CA1)值达340MPa,最高使用温度达 环氧树脂基体具有工艺性能好、综合力学性 177℃。最近 Cytec公司发展的5270BMI树脂体 能好和价格便宜等一系列优点,但耐湿热性能较系,连续工作温度可达230℃,但韧性相对较低 差。环氧基复合材料一般可在130℃以下在飞机(复合材料CAI值为179MPa) 承力结构上应用 耐高温聚酰亚胺复合材料在先进航空发动机 氰酸酯树脂吸湿率低、韧性好、介电性能好上已经得到应用。目前使用最广泛的是PMR (介电常数27~3.2,介电损耗0.001~0.005)。15,可在288-316℃范围内使用。耐温等级更高 氰酸酯树脂是未来结构/功能一体化的有力候选的PMR聚酰亚胺,包括 PMR-II, VCAP75,AFR 材料,氰酸酯树脂一般需要较高的后处理温度,这700B等。这些树脂可在350℃以上长期使用。 给使用带来一些不便。 表3为部分高性能复合材料的CAI值和生产厂 BMI树脂耐湿热性能和耐热性均优于环氧 商 树脂。BMI可以和多种化合物共聚以改善其韧 成型技术先进树脂基复合材料制造成本在 表3部分高韧性树脂基复合材料 Table 3 The properties of polymer matrix composites opposite CAl/MPa 5245C Modified bMi 213 52504 Modified bmi Modified BMI 345 Cytec Modified epoxy 193-310 Fiberite Modified epoxy 20~240 F3900 odified epoxy 324~345 8551-7 Modified epoxy Hexcel 3900-2 Modified epoxy Toray Cycon 1849 Modified epoxy 345 Cytec SP5002 Modified epoxy 5405 BIAM 5228 Modified epoxy BIAM 5428 Modified BMI BIAM Modified BMI BIAM Modified epoxy BIAM QY9511 Modified BMI BIMET 产品中占用很大的比重,而目前影响先进树脂基 热压罐成型技术是高性能树脂基复合材料的 复合材料广泛使用的最大障碍是价格问题。因此主要成型技术,其优点是成型的复合材料性能高 如何发展新的制造技术,降低先进树脂基复合材质量稳定并适合大型复杂外形复合材料构件的成 料的制造成本,是当前先进树脂基复合材料研究型,缺点是设备投资大,能耗高,制造成本高。 的重点。 预成型体/液体成型工艺技术(LCM)是先进 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
航 空 材 料 学 报 第 卷 主要 围绕着改 善 耐 湿热 性 能 、 提高韧 性 和 工 作 温 度 。 环氧树脂 基 体 具有 工 艺 性 能 好 、 综 合力 学 性 能好和价格便 宜 等 一 系列 优 点 , 但 耐 湿热 性 能 较 差 。 环 氧基复合材料一 般 可 在 ℃ 以 下 在 飞机 承力结 构上应用 乙 氰 酸 醋 树 脂 吸 湿 率 低 、 韧 性 好 、 介 电性 能 好 介 电常数 一 , 介 电损 耗 一 。 氰 酸 酷 树脂 是 未 来 结 构 功 能 一 体 化 的有 力 候选 材料 , 氰 酸醋树脂一般需要较高 的后 处 理温度 , 这 给使用带来一 些 不便 。 树 脂 耐 湿热 性 能 和 耐 热 性 均 优 于 环 氧 树脂 。 可 以 和 多 种 化 合 物 共 聚 以 改 善 其 韧 性 , 已 经发 展 的 树脂 , 其 复合材 料 的 冲击后 压缩强 度 值 达 , 最 高 使用 温 度 达 ℃ 。 最近 公 司 发 展 的 树 脂 体 系 , 连 续 工 作 温 度 可 达 ℃ , 但 韧 性 相 对 较 低 复合 材料 值 为 。 耐 高温 聚酞亚胺 复合材料在先进航空发 动机 上已 经 得 到 应 用 。 目前 使 用 最 广 泛 的 是 巧 , 可在 一 ℃范 围 内使 用 。 耐温 等级 更 高 的 聚酞亚胺 , 包括 一 , 卫 一 , 等 。 这 些 树 脂 可 在 ℃ 以 上 长 期 使 用 。 表 为部分 高 性 能 复 合 材 料 的 值 和 生 产 厂 商 。 成 型技术 先进树脂基 复合材料 制造成本 在 表 部分高韧 性树脂基复合材 料 一内,﹄」一斗,胜一八‘︸、 月﹃ 一 〔 一 一 一八︶︸︺︸、、一 尹、︼ 一 印 印 一‘气了︶ 一肠 即 一 产 品 中 占用很 大 的 比重 , 而 目前 影 响先 进 树脂基 复合材料广泛使用 的最 大 障碍是 价格 问题 。 因此 如何发展新 的制 造 技 术 , 降低 先 进 树脂基 复合 材 料 的制造成本 , 是 当前 先 进 树 脂 基 复 合 材 料研 究 的重点 。 热压罐成型 技术是 高性 能树脂基复合材料 的 主要 成 型技术 , 其优 点是成 型 的复合材料性能高 , 质量稳定并适合大型 复杂外形 复合材料构件 的成 型 , 缺点是设备投资大 , 能耗高 , 制造成本高 。 预成 型 体 液体成 型工 艺技 术 是 先 进
增刊 先进树脂基复合材料的发展和应用 201 树脂基复合材料低成本制造技术的一个重要方止,国内仍只能生产性能相当于T300的碳纤维 面,目前已获得相当成功的有RTM和RFI。 且性能不够稳定,也没有形成批量。其它高性能 RTM工艺不需要制备预浸料,将纤维或织物预成纤维,如芳纶纤维的研制刚刚起步。复合材料用 型体置于闭合模具中,然后将树脂基体直接注入,增强材料的研制和生产比复合材料要落后。 最终获得具有优良综合性能的近净尺寸复合材料 国内复合材料成型技术的进展首先体现在预 零件。和传统的热压罐成型技术相比RTM工艺浸料制备技术已从单一溶液法预浸工艺逐渐向热 可降低制造成本40%左右。RTM工艺已得到了熔法预浸工艺发展,目前已能采用热熔法制备各 广泛的应用,F22战斗机大约有250个复合材料种BMI和环氧预浸料,采用静电粉末法预浸技术 零件都是采用这一成型技术的。为了进一步提高制备的高性能热塑性树脂预浸料达到国外同类材 生产速度,改进产品质量近期又发展了一系列改料的先进水平。在构件成型技术方面,热压罐成 进的RTM工艺,如真空辅助RTM( VARTM),低型技术,一次共固化成型技术,硅橡胶软模成型技 温固化RTM( LTRTM),自动化RTM(ARTM),术已广泛采用。RTM和ARTM等低成本成型 热膨胀RTM( TERTM),连续化RTM(CRTM), 技术已得到了一定的发展,固化监控技术已初步 差压RTM( DP-RTM)。RFⅠ工艺通过加热使树 得到应用 脂膜熔融浸渍预成型件,最终固化获得复合材料 先进树脂基复合材料的应用也不断扩大。在 构件。波音麦道已经采用这一技术研制民机复飞机上的应用已从非承力件扩大到机翼结构等主 合材料机翼蒙皮。 承力件,主要应用包括机翼、垂尾、前机身、鸭翼、 利用电子加速器产生的高能电子束引发树脂 腹鳍、垂直安定面、方向舵、内外侧升降幅翼等,用 聚合和交联的电子束固化技术是另一种有前途的量贮备达15%。 非热固化复合材料固化技术。电子束固化的特点 是复合材料空隙率低(<1%),力学性能高,固化 3先进树脂基复合材料的发展趋势 时间短,热应力小,且能够减少环境污染。根据制 造零件的不同,可节约制造成本20%~60%。这 (1)先进树脂基复合材料应用向着高性能化 一技术目前发展很快,正在走向实用化过程中。 方向发展,旨在追求高的减重效率。目前西方最 纤维缠绕技术、纤维自动铺放技术、整体成型 新研制的机种使用的碳纤维由T300,AS4量级转 技术等复合材料制造技术以及固化过程实时监控向T800和IM7量级,如F22,EF2000,B777等 技术,近年来也得到了相当的发展。纤维自动铺均使用拉伸强度5000MPa,拉伸模量300GPa量 放技术可以在大型复杂形面上铺放和压实连续预级的碳纤维。与T300相比性能大约提高30% 浸带,纤维在芯模上铺放完全在无压力状态下进 40%。树脂则改性双马(BMI)与改性环氧并用 行,铺放纤维预浸带的宽度可以根据需要调整,纤如F22主承力结构用52504BM树脂,耐温达 维铺放精度可达0.005mm以及为了调节黏度,纤 200℃,CAI值为220MPa,比外还用增韧环氧 维预浸带可以加热或冷却。纤维铺放技术已经得977-3,CAI值为348MPa。B777用39002高韧 到了广泛的应用,获得了明显降低成本的效果 性环氧树脂,CAI值为324~345MPa。高性能纤 国内树脂基复合材料自“六五”以来,经历了维和树脂的应用可提高先进复合材料的综合性能 十多年的预研和应用发展,取得了很大的进步和和设计许用值,从而提高减重效率,将目前20% 成就,形成了 基础和规模,研制成功了一批 25%的减重效率提高到30%或更高。 高性能的树脂基体,包括高韧性BMI树脂基体、 (2)重视制造技术研究、生产改造和综合配 高韧性髙温和中温固化环氧树脂基体、阻燃环氧套。除热压罐成型技术外,还对缠绕、拉挤、注塑, 基体等。其中北京航空材料研究院研制的5428, 编织+RTM针织缝编+RTM等多种成型技术 5429高韧性BMI复合材料CAI值分别达进行了大量研究。大力进行机械化,自动化技术 260MPa和290MPa,长期使用温度为150℃和改造,发展了自动切割下料,自动铺带、自动钻铆 170℃。高性能复合材料的应用对于提高减重效等设备和技术,广泛发展复合材料的 CAD-CAM 率,扩大复合材料应用范围具有重要作用。 系统和CIE系统 国内在先进树脂基复合材料最常用的增强材 纤维铺放技术可以明显地降低具有复杂形状 料碳纤维方面也做了大量的工作。但到目前为的复合材料构件的制造成本。最早的纤维铺放技 91994-2010ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
增 刊 先进树脂基 复合材料 的发展 和应用 树脂基复合 材 料 低 成 本 制 造 技 术 的 一 个 重 要 方 面 , 目 前 已 获 得 相 当 成 功 的 有 和 。 工艺不需要制 备预浸料 , 将纤维或织 物预成 型体置于 闭合模具 中 , 然后将树脂基体直接注人 , 最终获得具有优 良综合性 能的近净尺寸复合材料 零件 。 和传统 的热压罐成 型技术相 比 , 工艺 可降低 制造成本 左 右 。 工 艺 已 得 到 了 广泛 的应 用 , 一 战斗机 大 约有 个复合材 料 零件都是采用这 一成 型 技术 的 。 为 了进一步提高 生产速度 , 改进产 品质量 , 近期又发展 了一 系列 改 进 的 工艺 , 如真空辅助 , 低 温 固化 , , 自动 化 , 热膨胀 , 连 续 化 , 差压 一 。 工 艺 通 过 加 热 使树 脂膜熔融浸渍 预成 型件 , 最 终 固化 获得复合材 料 构件 。 波音 麦 道 已 经 采 用 这 一 技术 研 制 民机 复 合材料机翼蒙皮 。 利用 电子加速器产生 的高能 电子束 弓发树脂 聚合和交联 的电子束 固化技术是另一 种有前途 的 非热 固化复合材料 固化 技术 。 电子束 固化 的特点 是复合材料 空 隙率低 , 力 学 性 能高 , 固化 时间短 , 热应力小 , 且能够减少环境污染 。 根据制 造零件 的不 同 , 可节 约制造 成本 一 。 这 一技术 目前发展很快 , 正在走 向实用化过程中 。 纤维缠绕技术 、 纤 维 自动铺放技术 、 整体成型 技术等复合材料制造技术 以及 固化 过程实时监控 技术 , 近年来 也 得 到 了相 当的发展 。 纤 维 自动铺 放技术可 以在大型 复杂形 面上铺放和压实连续预 浸带 , 纤维在芯模 上铺放 完 全 在 无 压力 状 态 下进 行 , 铺放纤 维预浸带 的宽度可 以根据需要 调整 , 纤 维铺放精度可 达 以及 为 了调节戮度 , 纤 维预浸带可 以加 热或冷却 。 纤 维铺放技术 已 经得 到 了广泛 的应用 , 获得 了明显 降低成本 的效果 。 国内树脂 基 复合 材 料 自 “ 六五 ” 以来 , 经 历 了 十多年 的预研 和应用 发展 , 取 得 了很 大 的进 步 和 成就 , 形成 了一定 的基础 和规模 , 研制成功 了一批 高性 能的树 脂基 体 , 包括 高韧 性 树脂 基 体 、 高韧性高温 和 中温 固化 环 氧树 脂基 体 、 阻燃 环 氧 基体等 。 其 中北京航空 材料研究 院研 制 的 , 高 韧 性 复 合 材 料 值 分 别 达 和 , 长 期 使 用 温 度 为 ℃ 和 ℃ 。 高性能复合材料 的应 用 对 于提高减 重效 率 , 扩大复合材料应用范 围具有重要 作用 。 国 内在先进树脂基复合材料最常 用 的增 强材 料碳纤 维 方 面 也 做 了大 量 的 工 作 。 但 到 目前 为 止 , 国 内仍 只 能 生产性能 相 当于 的碳纤维 , 且性能不 够稳 定 , 也 没 有形 成批 量 。 其 它 高性 能 纤维 , 如芳纶 纤 维 的研制 刚 刚起 步 。 复合 材 料 用 增 强材料 的研制 和生产 比复合材料要落后 。 国 内复合材 料成型 技术 的进展首先体现在预 浸料制备技术 已从单一溶液法预浸工艺 逐渐 向热 熔法预浸 工艺 发 展 , 目前 已 能采 用 热熔 法 制 备各 种 和环 氧预浸料 , 采用 静 电粉末 法 预浸技 术 制备 的高性 能热塑性树脂 预浸料达 到 国外 同类材 料 的先进水平 。 在 构 件成 型 技术 方面 , 热 压 罐成 型技术 , 一 次共 固化成 型技术 , 硅橡胶软模成 型技 术 已 广泛采用 。 和 等低成本成 型 技术 已得 到 了 一 定 的发 展 , 固化 监控 技术 已 初 步 得 到应用 。 先进树脂基 复合材料 的应用 也不 断扩大 。 在 飞机上 的应用 已从非 承力件扩 大到机翼结构等主 承力 件 , 主要 应 用 包 括机 翼 、 垂 尾 、 前 机 身 、 鸭翼 、 腹鳍 、 垂直安定 面 、 方 向舵 、 内外侧 升降幅翼等 , 用 量贮备达 。 先进树脂 基 复合材料 的发展 趋势 先进树 脂 基 复合 材 料 应用 向着高性 能化 方 向发展 , 旨在追 求 高 的减 重 效 率 。 目前西方最 新研制的机种使用 的碳纤 维 由 , 民 量级转 向 和 量 级 , 如 一 , , 一 等 均使 用拉伸强 度 , 拉伸模 量 量 级 的碳纤维 。 与 相 比性 能大约提高 一 。 树脂则改性 双 马 与 改 性 环 氧并 用 , 如 , 主 承 力 结 构 用 一 树 脂 , 耐 温 达 ℃ , 值 为 , 比 外 还 用 增 韧 环 氧 一 , 值 为 。 一 用 一 高 韧 性环氧树脂 , 值为 一 。 高性 能纤 维和树脂 的应 用可提高先进 复合材料 的综合性能 和设计许用 值 , 从 而 提 高减重 效 率 , 将 目前 一 的减 重效率提高到 或更高 。 重 视 制 造 技 术 研 究 、 生 产 改 造 和 综 合 配 套 。 除热压罐成 型技术外 , 还对缠 绕 、 拉挤 、 注塑 , 编织 十 、 针 织 缝 编 等 多 种 成 型 技 术 进行 了大量 研究 。 大 力 进 行 机 械化 , 自动 化技 术 改造 , 发 展 了 自动 切 割下 料 , 自动铺 带 、 自动钻铆 等设 备和 技术 , 广 泛 发展 复合材 料 的 〕 系统和 系统 。 纤维铺放技术可 以 明显地 降低具有复杂形状 的复合材料构件 的制造成本 。 最早 的纤维铺放技
02 航空材料学报 第23卷 术研究来自复合材料机身的制造。如果采用缠绕 低温固化低压成型技术是一种适宜大型复合 技术制造机身时,遇到的问题是缠绕张力使凹面 材料构件制造的技术。ACG公司于1975年发展 产生缝隙、缠绕张力使纤维产生滑移偏离应该的第一个低温固化树脂体系LTM10。80年代中 位置和缠绕工艺不能有效地改变厚度。纤维铺放期,低温固化复合材料开始应用于复合材料工装 技术解决了上述问题,它可以在大型复杂形面上领域,1986年, AHOPELTO就报道了采用低温低 铺放和压实连续预浸带,纤维在芯模上铺放完全压固化(真空袋)技术为L80教练机制备复合材 在无压力状态下进行,铺放纤维预浸带的宽度可料机翼。90年代早期,低温固化复合材料首次应 以根据需要调整,纤维铺放精度可达0.005mm以用于航空结构件,如1995年洛克希德马丁公司采 及为了调节黏度,纤维预浸带可以加热或冷却。用LTM45低温低压固化体系制备了无人机 纤维铺放技术已经得到了广泛的应用,主要包括 (UAV)构件,1996年,NASA和 McDonel dougla V22飞机的中机身侧蒙皮和进气道蒙皮、F/A 采用LTM10体系通过低温真空袋成型技术制造 18E/F的前机身蒙皮、T45的水平尾翼蒙皮、C 了X36无人战斗机和UAV的外蒙皮。 17的整流进气门和起落架护板、F22的水平转轴 国内关于低温固化复合材料研究的起步较 和机翼蒙皮等。纤维铺放技术的应用获得了明显晚,北京航空材料研究院最近研制成功了70℃固 降低成本的效果。图1是采用纤维铺放技术制造化,80~100℃使用的LT01碳纤维复合材料树 的飞机S形进气道。 脂体系,并将用于制造飞机复合材料鳆鳍。表4 为碳纤维增强LT01复合材料体系力学性能。 表4LT01复合材料体系基本力学性能 Table 4 The mechnical properties of LT-01 composites T300B/T700SC/ UT500/ LT-01LT-01LT-01 0 tensile strength/MPa152021002250 o" tensile module/ GPa120109105 0flex. Strength/MPa128012101340 0 comp. strength /MPa637669900 图1纤维铺放技术制造的S形进气道 Fig. 1 The composite S-inlet duct by the 预浸料制备和热压罐成型技术的改进与优化 fiber placement 是目前低成本技术研究的一个方面。预浸料制备 技术的研究主要集中在如何使用成本更低的材料 (3)突出强调低成本技术。制约复合材料扩和提高预浸料制备的自动化程度。预浸料制备技 大应用的主要障碍仍是成本太高,因此降低成本术已经实现从溶液法预浸工艺向热熔法预浸工艺 乃是当务之急。复合材料降低成本应从设计/材 的转变。采用热熔法制备BMI和环氧预浸料,树 料/制造三方面综合考虑,发展低成本的复合材料脂含量可以精确控制,挥发分含量低。采用热熔 设计技术、低成本的材料技术和低成本的复合材 预浸料制备的复合材料,其耐湿热性能有一定的 料制造技术,最终目标上通过低成本技术研究使提高。热熔法预浸料制备技术不但使预浸料的生 复合材料成本下降40%以上。 产效率提高,从而降低了生产成本,而且使应用低 树脂基复合材料构件的低温固化低压成型技成本的大丝束纤维成为可能。大丝束纤维的应用 术,不但可以大大降低主要由昂贵的模具、高投可以明显降低材料成本,是复合材料低成本技术 资、高能耗设备和必须使用高性能工艺辅料等带 的一个重要内容。 来的高费用,而且可以提高复合材料构件的尺寸 夹层预浸料是一种新型的预浸料,由上下表 精度,适于制备大型复合材料构件,是发展大尺寸面单向纤维或纤维织物和中间的胶膜组成。和传 复合材料构件和复合材料扩大应用领域的一个非 统预浸料相比其预浸料制备效率更高。由于夹层 常重要的方向。 预浸料的柔性好更适宜复杂构件应用;材料损伤 201994-2010ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghOuse.alLrightsreservedhttp:/www.cnki.net
航 空 材 料 学 报 第 卷 术研究来 自复合材料机身 的制造 。 如果采用 缠绕 技术 制造机 身 时 , 遇 到 的 问题是缠 绕 张 力 使 凹 面 产生缝 隙 、 缠绕 张 力 使纤 维 产生 滑 移 偏 离应 该 的 位置和 缠绕工艺 不能 有效地 改变 厚度 。 纤 维铺放 技术解决 了上 述 问题 , 它 可 以 在 大 型 复 杂形 面 上 铺放和 压实 连 续 预 浸 带 , 纤 维 在 芯模 上铺 放 完 全 在无压力状态 下 进 行 , 铺放纤 维 预浸 带 的宽度 可 以 根据需 要调 整 , 纤 维铺放精度 可达 以 及 为 了 调节 薪 度 , 纤 维 预 浸 带 可 以 加 热 或 冷 却 。 纤维铺放技术 已 经得 到 了广 泛 的应 用 , 主要 包 括 一 飞 机 的 中机 身 侧 蒙 皮 和 进 气 道 蒙 皮 、 几 的前机 身 蒙皮 、 不 的 水 平 尾 翼 蒙皮 、 的整 流进气 门和起落架 护板 、 一 的水 平转 轴 和机翼 蒙皮等 。 纤 维铺放技术 的应 用 获得 了 明显 降低成本 的效果 。 图 是采用 纤维铺放技 术制造 的飞机 形 进气 道 。 低 温 固化低压成型技术是一 种适 宜大型 复合 材料构件制造 的技 术 。 公 司 于 年 发 展 了第一个低温 固化 树脂 体 系 。 年代 中 期 , 低温 固化 复合 材 料 开 始 应 用 于 复合材 料 工装 领域 , 年 , 就报道 了采用 低 温低 压 固化 真空 袋 技 术 为 一 教 练机 制备复合材 料机翼 。 年代早期 , 低温 固化 复合 材料 首 次应 用 于航空 结构件 , 如 年洛克希德 马丁公 司采 用 低 温 低 压 固 化 体 系 制 备 了 无 人 机 构件 , 年 , 和 采用 体 系通过 低 温 真空 袋 成 型 技术制 造 了 无人 战斗机 和 的外蒙皮 。 国 内关 于 低 温 固化 复 合 材 料 研 究 的起 步 较 晚 , 北 京航 空 材料研究 院最 近研制成 功 了 ℃ 固 化 , 一 ℃使 用 的 一 碳 纤 维 复合材 料 树 脂体系 , 并 将 用 于 制 造 飞 机 复 合 材 料 蝮 鳍 。 表 为碳纤维 增强 一 复合材料体系力 学性 能 。 表 一 复合材料体 系基 本力学性 能 一 熬葵葵擞 图 珊 〔 一 一 , 一 ℃ 纤维铺放技术制造 的 形进气道 一 突 出强 调 低 成 本 技 术 。 制 约 复 合材 料 扩 大应用 的主要 障碍 仍 是 成 本太 高 , 因此 降低 成 本 乃 是 当务 之 急 。 复 合 材 料 降低 成 本 应 从 设 计 材 料 制造 三方 面综合 考虑 , 发展低成本 的复合材 料 设计技 术 、 低 成 本 的材 料 技 术 和 低 成 本 的复 合 材 料制造技术 , 最 终 目标 上通 过 低 成本 技 术研究 使 复合材料成本下 降 以上 。 树脂基 复合材 料构件 的低 温 固化低压成 型技 术 , 不 但 可 以 大 大 降低 主 要 由 昂贵 的模 具 、 高 投 资 、 高能耗设备 和 必 须 使 用 高 性 能 工 艺 辅 料 等 带 来 的高费用 , 而 且 可 以 提 高 复 合材 料 构 件 的尺 寸 精度 , 适 于制备大 型 复合材料构 件 , 是发展 大尺 寸 复合 材料 构件和 复合材 料扩 大应 用领域 的一个非 常重要 的方 向 。 预浸料制备和热 压罐 成型 技术 的改进与优化 是 目前低 成本技术研究 的一个方 面 。 预浸料 制备 技术 的研究 主要 集 中在 如何使用成本更低 的材料 和提高预浸料制备 的 自动化程 度 。 预浸料制备技 术 已 经实 现从溶液法 预 浸工艺 向热熔法预浸工艺 的转变 。 采用热熔法 制备 和 环 氧预 浸 料 , 树 脂含量 可 以 精 确 控 制 , 挥 发分 含 量 低 。 采 用 热 熔 预浸料制 备 的复合 材 料 , 其 耐 湿 热性 能有一 定 的 提高 。 热熔法预浸料制备技术不但使预浸料 的生 产效 率提高 , 从 而降低 了生 产成 本 , 而且 使应用 低 成本 的大丝束纤 维成为可 能 。 大丝束纤维 的应 用 可以 明显 降低 材 料 成 本 , 是 复合 材 料 低成本 技 术 的一个重要 内容 。 夹层 预浸 料 是 一 种 新 型 的预 浸料 , 由上 下 表 面单 向纤 维 或纤 维织 物 和 中间的胶膜组 成 。 和传 统预浸料相 比其预浸 料制备效率更 高 。 由于夹层 预浸料 的柔性 好 更适 宜 复 杂 构件应 用 材 料损 伤
增刊 先进树脂基复合材料的发展和应用 203 少从而可获得高性能的复合材料等。 熟。主要表现为成形工艺性差,价格贵,性能数据 在热压罐成型过程中,压力和温度是两个主缺乏,使用经验积累不够等。目前正针对这些问 要控制的参数。压力和加压时间能比较准确的控题开展工作,如通过降低树脂粘度达到改善工艺 制。而温度受模具和制件的形状、热压罐内的流 性的目的,发展一些低成本的制造技术,如混编成 场的影响,很难预测和精确控制。从图2在热压 型,在线缠绕及拉挤等,解决制造成本偏高的问 罐不同位置测量的温度曲线可以看到,有时不同 题,一旦上述问题得到有效解决,先进热塑性复合 位置温度差达到50℃。在这种情况下,如果控制材料将会得到广泛的应用 不恰当,会导致复合材料质量差和固化时间偏长。 因此需要根据复合材料的固化特性、构件的结构4结束语 特性和工艺装备的特性,进行固化工艺的优化,以 减少固化周期和提高固化质量。 先进树脂基复合材料以其比强度和比刚度 高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构 尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形的独特优 Tour=122℃ 点在飞机上已经得到了大量的应用。因此早在 1983年人们就预测到2000年飞机的绝大部分结 10 构将釆用复合材料,以及出现全复合材料飞机 然而,到目前为止,这一预测尚未实现,其主要原 因是复合材料的高成本阻障先进树脂基复合材料 技术在航空工业更广泛应用 随着先进树脂基复合材料的性能进一步提高 和使用经验进一步积累,随着复合材料低成本技 0306090121518212427303336394245 术的发展和复合材料成本得到明显的降低,随着 Time/ min 复合材料高效新结构的发展和复合材料应用效能 图2热压罐内不同位置的温度分布 的提高,复合材料在飞机的应用将变得更加广泛, Fig.2 The distrbution of temperture in autoclave 甚至出现全复合材料飞机。 (4)复合材料技术正向着综合化、功能化和智 参考文献 能化方向发展,它的研究和应用往往涉及设计、材1 TIMOTHY G. GUTOWSKI.Adw 料、制造、测试、使用和维护等诸多方面。目前一 anufacturing[ M]. New York: Wiley, 1997 些复合材料新结构和结构/功能一体化复合材料 [2] DANIEL I M, ISHAI O Engineering mechanies of com- 已经开始得到应用。新型格栅结构的刚度和抗冲 posite materials[ M]. Oxford University Press, 1994 击损伤性能明显优于蜂窝夹层结构。采用自动化 [3]SERAFINI TITO T High temperature polymer matrix composites[M]. New Jersey: Noyes DATA Corpor 技术制造格栅结构,其成本也有明显的下降,是 tion, 1987 种在航空、航天和其他军民用领域具有广泛应用 [4]LIN SC, PEARCE ELI M. High performance thermo- 前景的复合材料结构形式。点阵结构能够承受轴 sets[ M]. New York: Hanser Publishers, 1994 向拉伸和压缩、扭转弯曲载荷或者任何复合载荷51陈祥宝等高性能树脂基体[M]北京:化学工业出 形式。由于点阵结构中每一复合材料单元都承担 版社,1999 轴向载荷,因此可以使复合材料本身的强度和刚 [6]STRONG A BRENT. High performance and engineering 度得到极大的发挥 thermoplastic composites[ M]. Basel: Technomic, 1993 (5)先进热塑性树脂基复合材料仍应受到重 [7 MALLICK P K, NEWMAN S Composite materials technology[ M]. New York: Hanser Publishers, 1990 视。热塑性树脂基复合材料韧性好,疲劳强度高, [8] PIRRUNG P. Engineered materials handbook, vol. 1 耐湿热性好,预浸料可以长期存放,可以重复成 ] Composites ASM International, 1987 形、环境污染少等优点。在80年代到90年代初 [9冯莉芳高性能树脂基复合材料的发展近况[].塑料 成为复合材料研究的一个热点。但在ATF战斗 工业,1998(5):10 机上试验结果表明,热塑性复合材料仍然不够成[101 BOWENGE.40thS^ MPE Symp[C].1995,1757 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
增 刊 先进树脂基 复合材料 的发展和应用 少从而可获得 高性 能 的复合材料等 。 在热压罐 成 型 过 程 中 , 压 力 和 温 度是 两个 主 要控制 的参数 。 压力和加压时 间能 比较准确 的控 制 。 而温度受模具和 制 件 的形 状 、 热 压罐 内 的流 场 的影 响 , 很难 预测 和精确控 制 。 从 图 在热 压 罐不 同位置测 量 的温 度 曲线 可 以看到 , 有 时 不 同 位置 温度差达 到 ℃ 。 在 这种 情 况 下 , 如果控 制 不恰 当 , 会导致 复合材料质量差 和 固化 时间偏长 。 因此需 要根据 复合 材料 的 固化特性 、 构件 的结 构 特性 和工艺装备的特性 , 进行 固化工艺 的优化 , 以 减少 固化周期和 提高 固化质量 。 熟 。 主要 表 现为成形 工艺性差 , 价格 贵 , 性 能数据 缺乏 , 使用经 验 积 累不 够等 。 目前 正 针 对 这些 问 题开展工作 , 如通 过 降低树脂 粘度 达 到改善 工艺 性 的 目的 , 发展一些 低成本 的制造技术 , 如混 编成 型 , 在 线 缠 绕 及 拉 挤 等 , 解 决 制 造 成 本 偏 高 的 问 题 , 一旦上述间题得 到有效解 决 , 先进热塑性 复合 材料将会得 到广泛 的应用 。 瑰广舟毕 结束语 先进 树 脂 基 复 合 材 料 以 其 比 强 度 和 比 刚度 高 、 可设计性强 、 抗疲劳断裂性 能好 、 耐腐蚀 、 结构 尺 寸稳 定性好 以及便 于大面 积整体成形 的独 特优 点在 飞 机 上 己 经 得 到 了 大 量 的应 用 。 因此 早 在 年人们就 预测 到 年 飞 机 的绝 大部分 结 构将 采 用 复合材 料 , 以及 出 现 全 复 合 材 料 飞 机 。 然 而 , 到 目前 为止 , 这 一 预测 尚未 实 现 , 其 主要 原 因是 复合材料 的高成本 阻 障先进树脂基复合材料 技术 在航空 工业更广泛应用 。 随着先进树脂基复合材料 的性 能进一步提高 和使用 经验进 一 步积累 , 随着 复合 材 料 低 成 本 技 术 的发展和复合 材 料 成本 得 到 明显 的 降低 , 随着 复合材料高效新结构的发展和 复合材 料应用效能 的提高 , 复合材料在 飞机 的应用将变得更加广泛 , 甚 至 出现全复合 材料飞 机 。 场、一︸耳 一卜 图 热压罐 内不 同位置 的温度 分布 复合材料技术正 向着综合化 、 功能化 和智 能化方 向发展 , 它 的研究和 应用往往涉及设计 、 材 料 、 制造 、 测试 、 使用 和维 护 等诸多 方 面 。 目前 一 些 复合材 料新结构和 结构 功能 一 体 化复合 材料 已 经开始得 到应用 。 新 型格栅结构 的刚度 和抗 冲 击损伤性 能 明显优 于蜂窝夹层 结构 。 采用 自动化 技术制造格栅结构 , 其 成本也有 明显 的下 降 , 是一 种在航空 、 航天 和 其 他军 民用 领域 具 有广泛 应 用 前景的复合材料结构形 式 。 点阵结构能够承受轴 向拉伸和压缩 、 扭转 、 弯 曲载荷 或者任何复合载荷 形式 。 由于点阵结构 中每一 复合材料单元都承担 轴 向载荷 , 因此 可 以 使复合 材料本 身 的强 度 和 刚 度得 到极 大 的发挥 。 先进热 塑性 树脂基 复合材料 仍应 受 到重 视 。 热塑性树脂基复合材料韧性好 , 疲 劳强度 高 , 耐湿 热 性 好 , 预 浸 料 可 以 长 期 存 放 , 可 以重 复 成 形 、 环境 污染 少 等优点 。 在 年代 到 年代初 成为复合材 料研究 的一 个 热 点 。 但 在 战斗 机上试验结果 表 明 , 热塑性 复合 材 料仍然 不 够成 参考 文 献 仁 〕 , , 记 。溢 「 , 〔 〕 , 山 , 仁 〕亚 〕 了、 , 〔 〕 , 八卫 , 〔 , 〕陈祥宝 , 等 高性 能 树脂基 体 「 〕北 京 化 学 工 业 出 版社 , 仁 〕 ‘ 〕 , , 〕 , 〔 」 、 从 , 〕 , 〔 〕 , 〔皿冯莉芳 高性能树脂基 复合材料 的发展 近况【 〕塑料 工业 , 仁 〕 〕 」
204 航空材料学报 第23卷 The development and applications of advanced polymer matrix composites ChEN Xiang-bao (Institute of Aeronautical Mterials, Beijing 100095, Chi Abstract: Advanced polymer matrix composites have been one of the mainly aeronautical structure materials and used widely in ilitary and civil aircraft. This paper introduces some recent developments and applications of composites in airplane 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
航 空 材 料 学 报 第 卷 任 一 , , 〕 主
