树脂基复合材料的研究与成型工艺有着密切的关系,而原材料的研究与发展对成型工艺有重要的影响。随着复合材料应用及品种的不断发展,非热压罐成型工艺在航空复合材料中也迅速发展起来,RTM(树脂传递模成型)成型工艺由于其潜在优势,在诸多工艺中越来越受到人们的重视,近些年有关RTM技术的研究报告也显著增多。RTM复合材料在航空领域中的应用也从半个世纪前实芯壁雷达罩扩展到其他结构件及半结构件。本文主要介绍RTM复合材料原材料的发展状况及RTM复合材料在航空领域中的应用。
航空复合材料结构件所选用的树脂必须满足这样的条件:湿热环境中的最高长期使用温度至少为150℃,固化后复合材料具有令人满意的韧性。因此,单纯的环氧体系已不能满足使用要求,因为环氧的最高长期使用温度为130℃。故航空RTM结构复合材料选用的树脂目前有两类:一类是氰酸脂改性的环氧,这类树脂固化后韧性较好,玻璃化温度200℃左右,由丁于吸湿率小于1.7%,故在湿热环境中的最高长期使用温度可达150℃。另一类是改性的双马树脂,这类树脂韧性亦较好,吸湿率在3%左右,热变形温度在250℃以上。在湿热环境中的最高长期使用温度也在150℃以上,不足之处是固化温度较高,后固化时间亦较长。用这两类树脂已做成的RTM复合材料构件有:进气道前缘、正弦波梁、机翼、机身蒙皮、尾部整流锥、推进器转向风门、导弹机翼等。
一般而言,航空常用的纤维及其织物均可作为RTM复合材科的增强材料。玻璃纤维:玻璃纤维增强的RTM复合材料一般作为雷达罩使用,这是因为这种复合材料具有令人满意的透波性。但随着航空技术的发展,人们又开发出新型的破璃纤维,具有代表性的是石英玻璃纤维和空芯玻璃纤维。这两种纤维都具有非常好的电性能,但空芯玻璃纤维的成本却比石英玻璃纤维的成本少得多。空芯玻璃纤维复合材料在成型时,为防止空芯被压实,成型压力不易过高,由此出发,RTM工艺成型空芯玻璃纤维复合材料是再恰当不过了。
空芯玻璃纤维复合材料由于良好的电磁波透过性,更不易被雷达发现,从而提高飞机的隐身性,这将会进一步引起军Y飞机的兴趣。碳纤维在航空工业中的应用占有举足轻重的地位,由于其比强度比模量大、耐热性高及化学稳定性好,是一种目前被受重视的高性能材料之一,可以分为高强、高模两类,航空应用一般选择高强碳纤维。芳纶纤维:这类纤维具有高的力学性能,低密度,断裂延伸率大,韧性较其它纤维好,但吸湿较大,横向压缩强度较小,Kevlar-49、Kevlar-29是它们的代表,在航空工业中应用也较广泛。
纤维编织技术是当今复合材料制造工业中的一个重要发展方向,是实现复合材料结构设计的手段选用不同种类的纤维,基于材料设计的理论,应用编织技术,在保证性能的前提下,与RTM技术相结合就可以使复合材料的原材料成本(纤维混编)、制造成本等降到最小值。
同时可大幅度提高编织复合材料的生产效率和产品质量,便于实现生产过程的自动控制。美国第四代战斗机F22的正弦波梁和机翼都是采用编织复合材料制造的。纤维编织技术发展很快,借助于计算机技术,人们已经可以进行编织工艺仿真、微结构设计、性能分析及辅助制造等方面的研究。由于三维以上的编织设备成本太高,航空工业中一般采用二维编织、三维缝纫的技术。即把编好的二维织物按一定要求铺好然后用特定的缝纫机按要求缝纫起来,雷达罩编织套的制造就是这样。二维编织、三维缝纫技术在国外航空复合材料主受力件已获得应用,结果显示这样的结构具有令人满意的抗损伤容限和使用可靠性。在国内这种低成本的编织技术研究得还不够深入,可以认为编织结构与性能、编织结构的实现是国内RTM技术研究的重要一方面。
先进RTM复合材料成型工艺的关键技术目前国内还没完全突破,先进RTM复合材料基体和纤维编织预成型的研究也仅仅处于初级阶段。可以预言:当这些研究完全成熟后,不仅对国内航空复合材料有重要贡献,而且对RTM复合材料在其它行业的应用也造成重大影响。
阅读延伸:《复合材料RTM工艺的技术进展》