树脂基复合材料成形工艺进展Word文件下载.docx

树脂基复合材料成形工艺进展Word文件下载.docx

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 无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。

为满足采购政策、隐

身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求，为尽可能地降低结构重量、

提高燃油装载量，无人战斗机结构的一个显着特点就是大量应用复合材料。

以波音公司的X-45A为例，除机身的龙骨、梁和隔框采用铝合金外，其余

的机体结构都是由复合材料制成。

诺斯罗普”格鲁门公司的X-47A的机体

除一些接头采用铝合金外，整个机体几乎全部采用了复合材料。

 航空工业中制备复合材料制件的主要要求为：

可支付得起；

高度自动化；

好的质量控制；

降低模具成本及缩短生产周期。

为了达到这些要求，航空

工业正着眼于：

编织技术；

先进的铺带技术；

非热压罐技术；

注射工艺；

专注下一代成长，为了孩子

先进的固化工艺；

全质量概念及热塑性工艺。

本文主要针对其预形件制造

技术及零件成形技术进行讨论。

 预成形体及蜂窝夹芯结构制造及应用技术

 目前复合材料预成形体的制造技术主要有以下几种：

（1）缝合技术。

 缝合织物增强复合材料是采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤

维织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材料。

它通过引用贯穿厚

度方向的纤维来提高抗分层能力，增强层间强度、模量、抗剪切能力、抗

冲击能力、抗疲劳能力等力学性能，从而满足结构件的性能需求。

 到目前为止，大部分的缝合复合材料结构的开发项目都是以美国的NASA

为主进行的。

其中最着名的是利用缝合技术制造的复合材料机翼，其中采

用了波音公司开发的28m长的缝合机制造飞机机翼蒙皮复合材料预成形体。

该缝合机能够缝合超过25mm厚的碳纤维层，缝合速度达3000针/分。

除

了缝合蒙皮预成形体外，还可缝合加强筋。

缝合完成后采用RFI技术进行

加热和加压。

这样生产出的结构件相对于同样的铝合金零件重量减少

25%，成本降低20%。

 在欧洲，EADS公司也开发了该技术，利用该技术首先制造的零件是

A380后机身压力隔框，该材料为干态碳纤维预成形体，比粘性的预浸料较

易处理。

每片复合材料使用自动缝合机连接在一起，可靠性和可重复性好。

采用的缝合机是几种长度的碳纤维织物并排铺放在长和宽都为8m的台面

上。

缝合头由一个金属横梁带着前后移动，曲形针缝合材料的速度达到每

分钟100针。

工程师使用一种特殊的曲形针能够实现单边缝合，因而可以

连接任何长度的材料。

连接后的后压力隔框板成为一块“毯子”。

接着，

“毯子”放在一个模具上被卷起来再铺开，看起来像一个倒扣的大碗，为

了获得必要的强度，6块这样的“毯子”按不同方向交替铺叠。

预成形体

的叠层板缝合在一起，然后将纤维板和树脂一起放在热压罐里在真空状态

下加热加压熔化，最后固化。

由于整个过程自动化程度较高，因此成本低

且可靠。

 缝合复合材料具有良好的层间性能、成本低、效率高，且可设计。

缝合

还可代替复合材料传统的机械连接方法，从而提高整体性能。

因此有望用

于大型整体复杂结构件制造，特别是可用于大型军用运输机的机体结构，

减轻重量和降低成本。

该技术的关键技术包括：

专用设备的研制以及缝合

工艺。

（2）穿刺。

 穿刺是复合材料结构三维加强的一种简单方法，在几方面优于缝合技术。

但是它不能用于制造预成形体。

在这个工艺中利用薄的削棒以正确的角度

在固化前或固化时插入二维的碳纤维环氧复合材料层板中，从而获得三维

增强复合材料结构。

Z向削棒可以是金属材料（一般是钛合金），也可采用

非金属材料（一般采用碳纤维环氧复合材料）。

复合材料的削棒直径一般

是0.25mm和0.5mm。

将削棒插入的方式有两种，一是采用真空袋热压的方

法，二是采用超声技术。

真空袋热压法更适合于相对大或无障碍部位进行

Z向结构加强，而超声法则对难到达部位或局部需要Z向加强的结构部位

更为有效。

另外，超声法还可利用金属削棒插入已固化的复合材料中实现

分层复合材料的修理。

 穿刺技术与缝合技术的出现和应用极大改进了复合材料的断裂韧性，意

味着复合材料能够承受更高冲击强度和剥离应力。

事实上，Z向增强技术

已用于GE90发动机风扇叶片，对强度要求的部位进行加强。

在飞机上，

该技术用于泡沫夹芯蒙皮结构，是传统上采用的铝蜂窝结构的挤压强度的

3倍。

该技术比缝合技术更具发展潜力，主要是因为其节省了高成本的缝

合机，尺寸不受限制，特别是能够进行局部结构的加强，因此是未来飞机

机体应用的关键技术。

 （3）三维机织。

 该工艺目前已经广泛用于复合材料工业，主要用于生产单层、宽幅织物，

作为复合材料的增强体。

三维异型整体机织技术是国外上世纪80年代发

展起来的高新纺织技术，它创造了一类新的复合材料结构形式。

采用三维

异型整体机织技术制造的复合材料制件具有整体性和力学的合理性两大特

点，是一种高级纺织复合材料。

三维异型整体机织技术的突出特点是纺织

异型整体织物，如T形、U形、工形、十字形等型材和圆管等，灵活的机

织工艺还可以创造出许多新的复杂形状织物。

 目前主要开展纤维束排列布局的设计、编制工艺过程的动态模拟，实现

三维异型整体机织的自动化、提高三维机织复合材料的质量和生产率、加

速三维异型整体机织复合材料的发展和推广应用。

国外还利用三维机织技

术在飞机和发动机的其它结构上进行了验证，如飞机的T型框、带加强筋

的壁板、发动机安装架等，最先进的是在Scramjet发动机原型机上应用

了三维机织蜂窝夹芯复合材料燃烧室，材料为陶瓷基复合材料，其采用三

维机织的最大益处是形成整体燃烧室结构，解决了由一般制造方法带来的

连接和泄漏问题。

 （4）编织。

 编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交

织形成整体结构的预成形体。

这种工艺通常能够制造出复杂形状的预成形

体，但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制。

在航空工业，目前该技术主要集

中在编织的设备、生产和几何分析上，最终的目的是实现完全自动化生产，

并将设备和工艺与CAD/CAM进行集成。

该工艺技术一般分为两类，一类的

二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。

 传统的二维编织工艺能用于制造复杂的管状、凹陷或平面零件的预成形

体，它与其它纺织技术相比成本相对较低。

它的研究主要集中在研发自动

化编织机来减少生产成本和扩大应用范围。

它的关键技术包括质量控制、

纤维方向和分布、芯轴设计等。

它在航空工业的应用包括制造飞机进气道

和机身J型隔框。

该技术通常与RTM和RFI技术结合使用，另外也可以与

挤压成形和模压成形联合使用。

其应用水平在洛克希德”马丁公司生产F-

35战斗机进气道制造中最能体现其先进性，加强筋与进气道壳体是整体结

构，减少了95%的紧固件，提高了气动性能和信号特征，并简化了装配工

艺。

为了克服二维编织厚度方面强度低的问题，开发了三维编织技术，为

制造无余量预成形体提供了可能。

但是该技术同样受到设备尺寸限制。