1、大型飛機復合材料結構 相關成型工藝方法評述大型飛機是我國航空工業當前的發展目標之一。復合材料(這里主要指樹脂基復合 材料在大型飛機結構上的應用則是此發展過程必然涉及的重要技術。復合材料在 航空結構上應用的基本出發點在于用其突出的比剛度和比強度特點來實現給定的減 重目標,從而提高飛機性能。近 10多年來,隨著原材料技術和結構應用技術的發 展,除減重之外,復合材料也為實現更低的成本耗費提供了可能的途徑,這成為復 合材料在大型民用飛機上用量突飛猛進的重要動力。我國在大型飛機復合材料結構應用方面尚無工程經驗。這方面工作現有的技術資源包括 2個方 面:(1國內在非大型飛機復合材料結構研發過程中積累的設計

2、和工藝的數據、規范、方法;(2國外公開的大型飛機復合材料結構研發資料。前者的重要性是顯而易見的。與非大型飛 機相比,大型飛機復合材料結構要素存在眾多共通之處,制造過程亦無需大量飛躍性的工藝變 革作為必要前提。但另一方面,大型飛機結構畢竟存在其固有特點,這些特點會為結構的制造 過程帶來前所未有的問題。國外的復合材料結構研發資料對于國內大型飛機研發工作具有重要 的參考價值,但從宏觀應用策略看,消化國外資料的困難之處在于把握之所以要“在特定的部 位,以特定的結構形式,通過特定的工藝方法,應用特定的復合材料”的深層考慮,而此考慮 的合理性將直接決定復合材料的應用效益。如僅僅止于表層模仿,則有得不償失之

3、憂。本文基 于國內以往的研發和工程經驗,以及國外報道的工程實踐,意對國內大型飛機復合材料結構制 造可能涉及的成型工藝方法作一討論,陳其特點和利弊,以求拋磚引玉之效。國內大型飛機復合材料結構制造可能涉及的成型工藝方法及其特點飛機復合材料結構的成型工藝方法主要包括以下 3類:(1預浸料工藝方法。在零件固化工序前預先將基體樹脂浸漬增強纖維,并將被樹脂浸漬的 纖維鋪放于特殊載體之上,形成布 /帶狀預浸料。然后將布 /帶狀預浸料在模具上鋪疊,形成零 件疊層,并將疊層固化成型。(2樹脂轉移工藝方法。在零件固化工序中將基體樹脂轉移至增強纖維預成型體內部,使基 體樹脂與增強纖維合為一體,進而固化成型。(3纖維

4、絲束纏繞 /鋪放工藝方法。在零件固化工序前將被基體樹脂浸漬的增強纖維束纏繞或 鋪放于零件的模具表面,形成零件疊層,并將疊層固化成型。鑒于國內當前發展狀況,大型飛 機復合材料結構研發先期涉及的成型工藝方法會較多地集中于前 2類。故本文的討論也主要關 注這 2類方法。1 預浸料工藝方法預浸料工藝方法是迄今為止在航空復合材料結構制造過程中應用最為廣泛的方法之一。近年 來,此法似被摒于“低成本方法”的概念體系之外,而與樹脂轉移方法形成舊新對應之勢。但 實際上,將此法簡單視為一種“高成本”的結構制造途徑并不準確,它在工程上的應用仍如日 中天。預浸料工藝方法之所以長期得到廣泛應用,是由以下特點決定的:(1

5、復合材料結構的成型工藝方法與結構內部纖維和基體的復合方式密切相關。因此,特定 的工藝方法在實際應用過程中要求特定的結構設計 /分析方法和規范與之相配。而基于預浸料 的航空結構設計方法經過數十年的發展,其成熟性對于工程應用(其中包括成本因素具有極 為重要的意義。(2預浸料制成后,其內部纖維通過樹脂粘附于預浸料載體之上。因此,在以后的操作中, 纖維的滑動和彎曲不易產生。與必須采用干態纖維預成型體的樹脂轉移方法相比,預浸料工藝 所制的零件內部纖維方向的一致性和纖維的準直度可以得到更好的控制。同時,在熱壓罐壓力 作用下,可以實現有較高纖維含量要求的零件制造。采用預浸料工藝制造的復合材料具有較高 的基本

6、力學性能測試值。(3固化成型過程中不涉及樹脂的轉移問題。此法對模具的要求相對簡單。與熱壓罐設施配 套后,尤其適用于大型的、具有高性能要求的復合材料結構制造。預浸料方法用于航空結構可 通過 2條途徑實現:·鋪層自動剪裁(采用專用的剪裁設備 +鋪層的激光投射定位(采用專用的激光投射設備 +人工零件鋪疊。·采用專門的預浸帶鋪放設備綜合完成鋪層的剪裁、定位和鋪疊操作。2條途徑各有其不可替代的特點。應特別指出的是,在當前的發展條件下,自動鋪放設備, 包括對大型飛機結構制造極為重要的預浸帶鋪放設備以及本文未予討論的纖維絲束鋪放設備,并非能完全取代人工鋪疊途徑而滿足所有航空結構的制造需求

7、。其中有技術上的原 因,也有經濟方面的考量。預浸料工藝方法雖有其突出的特點,但也有其局限性。此法的局限 性主要表現在以下幾個方面:(1對結構零件的可鋪覆性要求。預浸料工藝的一個本質特點是采用布、帶狀預浸料,通過 鋪疊形成不同幾何形狀的零件疊層。在鋪疊過程中,預浸料各纖維束之間的相對滑移被限制。 因此,當零件的表面形狀可展為平面(即與平面存在等距對應關系時,零件的鋪疊不存在問 題,可認為零件表面具備很好的可鋪覆性。但此要求一旦不被滿足,鋪疊操作即隨零件表面不 可展程度的增加而變得愈為困難,而產生“褶皺”或“架橋”等質量問題。為完成預浸料在不 可展曲面上的鋪覆,需對每層預浸料進行切割和拼接處理。此

8、舉不但大大增加工藝的復雜性和 實施難度,而且導致零件中大量的連續纖維被切斷,從而影響結構的力學性能。(2結構零件中纖維取向的局限性。對于目前批量生產的預浸料而言,其纖維在平面狀態 下具備準直和相互平行的特點。當預浸料覆蓋于模具或零件疊層表面后,其纖維的排布狀態仍 被其平面狀態所制約。當鋪覆表面為可展曲面時,纖維排布完全服從側地線規律。如鋪覆表面 為不可展曲面時,為避免纖維皺褶或稀疏區的出現,鋪疊操作會強迫各纖維之間產生一定程度 的相對滑移,纖維的排布不再完全服從側地線規律。一般而言,當一塊預浸料的一條纖維的一 個點的方向被確定后,預浸料中所有纖維在所有點上的取向即為制約條件所確定。因此,預浸

9、料工藝方法用于曲面形狀結構零件制造時,結構內部纖維的實際取向(藍線往往與期望纖維 方向(黑線之間存在較大差距。(3厚度尺寸控制方面的弱點。如前所述,預浸料工藝相對簡單的模具要求是此法的一個突 出優點,但因零件的厚度尺寸一般沒有相應模具加以控制,所得零件的厚度波動較大。當所涉 及工藝得到合理而嚴格的規范后,大型零件的厚度向尺寸波動范圍可被控制在 5%以內,但此 精度仍遠比金屬零件差。在結構設計過程中,對預浸料工藝方法的這一特點應給予認真的考 慮,并形成相應的協調對策。(4厚度向增強的局限性。預浸料工藝方法的另一不足在于厚度向增強的局限性。層合復 合材料結構的一個突出特點是厚度方向的剛度和強度遠遠

10、小于面內剛度和強度。為改善結構的 厚度向性能,目前主要采用 3種方法:·通過三維編織方法在結構厚度向加入增強纖維,以改善厚度向剛、強度;·通過縫合方法以縫線形式在結構厚度向加入增強纖維,以改善厚度向的剛度和強度; ·通過專門的工藝設備將目前稱之為“Z -Pin”的針狀短纖維沿結構厚度向植入疊層,以改 善厚度向的剛度和強度。采用前 2種增強方式的結構無法采用預浸料工藝來實現。其中,三維編織是一種與預浸料 工藝截然不同的方法,所生成的三維編織結構與預浸料工藝生成的層合結構差異極大。縫合方 法雖在層合結構的基礎上進行,但疊層纖維被樹脂浸漬后,縫針穿過疊層的阻力,以及纖維

11、遭 破壞的可能性均大為增加,因此,也很難適用于預浸料工藝。 Z-Pin 方法雖具備用于預浸料的 可能性,但總體而言,增強方式的選擇空間已受到顯著限制。在實際復合材料結構的設計過程中,應根據預浸料工藝的利弊特點,針對特定的結構形狀、性 能、成本要求,在結構設計早期即開始為具體的工藝方案、問題、處理方法作盡可能細致的分 析和規劃,這是實現高水平復合材料結構的一個重要前提。2 樹脂轉移工藝方法樹脂轉移工藝方法近年來愈來愈多地進入航空復合材料結構的制造過程。從表面層的報道和分 析資料看,發生這種趨勢的原因在于此類方法的“低成本”潛力。但筆者認為,具體的研發或 工程生產項目之所以將此類方法納入特定結構件

12、制造過程,是基于綜合的利弊分析結果。而 “低成本”僅是可能被納入分析范圍的一個要素。對于大型飛機上的復合材料構件而言,其制 造過程可能涉及的樹脂轉移工藝方法分支包括:樹脂轉移模塑法(RTM 、樹脂膜熔融浸漬法 (RFI 以及真空輔助樹脂浸漬法 VARI 。樹脂轉移工藝方法的本質特點是基體樹脂與增強纖 維復合過程完全在固化成型工序中進行,而無預先的樹脂浸漬工序。2.1 樹脂轉移模塑法(RTM RTM 方法是近年來在航空領域應用實例最多的樹脂轉移工藝方法。該方法將增強纖維的預成型 體置于密閉的模腔之內,以一定壓力將液態的基體樹脂注入模腔,使之充滿纖維預成型體的纖 維間空隙,進而固化形成復合材料。

13、RTM 方法主要特點表現在以下方面:(1提供在非熱壓罐環境下制造具備較高力學性能的結構零件的可能性。對于不具備熱壓罐設施而有意制造一些小尺寸結構件的生產商,此特點具有非常重要的意義。 盡管模具方面要求的資金投入會顯著高于預浸料工藝,但與建立熱壓罐設施要求的投入相比, 此法節省成本的效果頗為明顯。(2可以滿足較高的零件尺寸精度要求。由于成型過程在密閉的模腔內進行, RTM 方法制造的零件可以滿足較高的尺寸精度要求。尤其 對于有較高厚度向尺寸精度要求的零件,此法可突破預浸料工藝方法的局限。(3彌補預浸料工藝在特殊形狀結構制造和厚度向增強方面的局限性。RTM 方法的另一個非常重要的特點是:可以通過纖

14、維預成型體制造方法的多樣性來克服預浸料 工藝方法在一些零件上面臨的鋪覆困難,以及預浸料工藝方法在零件厚度向增強方面的局限 性。(4具有環境保護方面的優點。RTM 方法的樹脂原料在工藝全過程中處于密閉容器之內。因此,與其他成型工藝方法相比,在 環境保護方面有突出優點。(5存在纖維含量和零件尺寸方面的局限性。RTM 方法如用于制造高纖維含量的結構零件,與預浸料工藝方法相比,會面臨較大的困難。同 時,由于需承受模腔內的成型壓力,對模具剛度和強度具有很高的要求。零件尺寸愈大,模具 的設計和制造愈為困難。因此,此法不宜用于制造大尺寸的結構零件。(6對樹脂工藝性有特殊要求。RTM 方法要求樹脂在一定時間段

15、內保持足夠低的粘度,以使樹脂有可能充分滲入纖維預成型體 的內部空隙之中,否則結構的質量難以保證。同時,由于樹脂的轉移過程在密閉的模腔中進 行,為避免結構內部產生氣孔,要求不能采用可揮發溶劑來降低樹脂的粘度。因此,相應樹脂 的研發過程必須對樹脂的工藝性有較多的兼顧。2.2 樹脂膜熔融浸漬法(RFI 和真空輔助樹脂浸漬法(VARI RFI 方法是國外 20世紀末在進真空空隙,并對纖維進行浸漬,最終在預成型體內固化而形成 復合材料零件。該工藝方法由于未采用 RTM 方法的閉合模具形式,對模具的剛強度要求相對較 低,可實現大型結構的制造。與預浸料工藝方法相比, RFI 方法的真正獨特之處在于:提供了在

16、大型壁板類構件上實現局部 縫合增強的可能性。此法雖減免了預浸料制造工序,但一般仍需熱壓罐設施的支持,對樹脂的 工藝性要求也苛于預浸料方法。VARI 方法針對 RTM 方法的局限性,通過適當的工藝措施,僅在真空條件下完成樹脂向包覆在 真空袋內的增強纖維預成型體的轉移,并在真空條件下完成結構的固化過程。該法擺脫了對熱 壓罐設施的依賴,對大型結構而言,是一種明顯具備低成行大型機翼復合材料結構研發項目的 過程中,為將縫合處理引入大型結構而發展的一種特殊的樹脂轉移成型方法。 RFI 方法將固態 的基體樹脂膜置于模具和增強纖維預成型體之間,并將零件和模具包覆于真空袋中,在熱壓罐 內完成固化成型。在固化成型

17、過程中,隨溫度的升高,樹脂膜熔融成粘流狀。在熱壓罐壓力和真空作用下,樹脂從纖維預成型體底面(貼模面向上滲入預成型體內的本潛力的制造方法。 但與其他的樹脂轉移方法相同,此法對樹脂的流動性有較高的要求。同時,由于低壓成型工藝 在實現高性能材料方面遇到的困難會大于高壓下的成型過程,因此,對材料力學性能的期望不 能簡單攀比預浸料工藝方法。對結構的設計理念要求相應的更新。 VARI 方法的工程化發展亟 需材料、工藝和設計人員的協同配合。成型工藝方法和成本的關系低成本的復合材料制造技術是近年來復合材料相關行業極為重視的一個問題。但行業不同,解 決問題的難度也有所不同。對于航空工業,如何通過復合材料結構的應

18、用來真正獲取較優的性 能 /成本綜合效益,問題的復雜性極高,難以得到簡單而具一般性意義的模式化解決方案。就 成型工藝方法而言,當我們說某種成型工藝方法是“低成本”方法時,實際表示:該方法具備 某一方面的特點,而這一特點有可能使產品的制造成本在滿足使用性能要求的前提下得到降 低。而問題的另一個往往被忽視的側面是,在特定的應用背景下,從某一方面得到的成本下降 效果有可能被其他方面的成本提升所淹沒。航空復合材料結構設計 /制造人員實際面對的工程 現實是:不存在某種絕對的低成本成型工藝方法。其技術能力的施展空間恰恰在于利用不同方 法的固有特點來形成最大程度兼顧性能和成本效益的結構方案(其中包括結構的成

19、型工藝方 案。如前文所提及,預浸料工藝方法一般不被認為具有“低成本”特點。而主要的原因在于該法所 特有的預浸料制造耗費以及該法用于高性能結構制造所必需的熱壓罐耗費。但從另一方面看, 該法相對簡單的模具要求、設計技術的成熟性,以及可能達到的高性能指標,也是追求綜合效 益目標時大可加以發掘的特點。RTM 工藝方法避免了預浸料生產工序和對熱壓罐的依賴,提供了降低成本的的一個方向。但如 盲目地將此法用于小批量零件或過大尺寸零件的制造,上述特點形成的成本效益有可能被模具 上必需增加的資金投入所抵消。毋庸置疑,對于不具備熱壓罐設施的生產單位而言,為開展某 種零件的制造而投資建立熱壓罐設施是巨大的成本負擔。但對本已具備熱壓罐設施的生產單位 而言,將熱壓罐用于新零件制造導致的成本份額究竟多大,與其他工藝途徑的成本對