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