国内复合材料RTM工艺的发展

  经过数十年的发展,复合材料的应用已进入航空航天器主政力结构领域。在我国的航空工业,也将复合材料试用于多个型号上的垂尾、外翼、前机身、筒型结构、梁、筋等构件上,其中有些型号已进入批量生产。随着复合材料的扩大应用,一些制约因素逐渐暴露出来,特别是制造成本。因此,各国都在投入很大力量研究可降低成本和提高质量的新一代制造技术。目前,已研制开发的复合材料低成本制造技术主要有树脂转移模塑(RTM)、缠绕、拉挤和采用大丝束纤维等。经过多年的探索研究,在对多种复合材料低成本制备技术进行充分的对比分析后,工业界普遍认为RTM工艺是最为有效的。

  现在RTM产品已经进入复杂结构、高纤维含量、高强度范围,已有一些承力结构投入使用,如阻力板、梁、肋结构。为使RTM工艺能够用于主承力结构件的生产,美国空军制定了“低成本复合材料兵器开发计划”。用RTM成型方法,Douglas与NASA联合制造6块飞机机翼壁板交付试验,并己制成1.8×1.2m和31.2m的变截面蒙皮加筋板。Boeing公司生产了复合材料面板的蜂窝夹层结构,机身内架和框板。Dow-UT制造了F-22、F-117的波型梁、发动机进气口、多种框类零件及接头。其中F-22上有246个零件是采用RTM工艺制造的,占全部复合材料构件的四分之一。RAH-66主旋翼采用RTM工艺,材料系统为S-2glass/IM7/PR500。此外,直升机挠性传动轴和联轴器、推进换向器、Blood-hound导弹的鼻锥、Concord导弹自动瞄准头的整流罩、英国Sandown级扫雷艇舰体也开始采用RTM工艺生产。

  在三维纺织技术的基础上,近年开始兴起承力结构增强材料的缝编技术。与三维纺织技术相比,它既可减少纤维的屈曲和断丝,提高结构性组织,又可提高三维结构的可设计性还可简化制造工艺,降低成本。Douglas公司在研制机翼时就是从采用三维编织工艺转而开发缝编技术的。

  我国在RTM技术、缝编织技术领域已开展了一些工作,取得了一定的成绩,但从整体来看,与先进发达国家相比还存在明显的差距。在“八五”期间开展了缝编工艺的研究,为KX研制了缝合型结构接头试件。已引进多轴经编织机,其玻璃纤维缝合织物的年产量已达到数万平米。目前已开发了多种立体织物及二步法、四步法纺织技术。已采用RTM技术研制了3种型号机头雷达罩、某导弹弹头的模拟件;已研制出适用于RTM工艺的双马来酰亚胺树脂,并对工艺性及成型方法进行了初步探讨,积累了一些经验和数据。但是,到目前为止,我国还没有将RTM技术应用到主承力结构的制造上。在民品方面,RTM技术在我国已开始使用,并从国外引进了一些RTM材料、工艺和设备。已有采用不饱和聚酯和玻璃纤维织物制成的BJ-130车门外板、BJ-212硬顶、北京Jeep后门等。

  RTM技术具有抗分层特性、可制造复杂结构、固化方式简单、树脂和增强材料适用范围广、纤维含量可控、低空隙含量的优点,是目前复合材料的最佳成型工艺,在成本和制品质量方面与热压罐及热压工艺相比具有很强的竞争力。国内的RTM技术尚处于萌芽阶段,致使其应用范围受到很大限制。开发此项技术,不仅能为今后的型号研制,特别是武装直升机、背景机和民机复合材料构件研制进行技术储备服务,也可拓宽我国复合材料的成型技术专业领域,为航天、兵器、航海等其它领域的国防项目服务。同时,RTM工艺在民用领域如汽车、箱包、运动器材、铁路、建筑等方面也有极大的技术和产品市场,选择适宜的产品,有希望开拓民用复合材料制品市场。

 

  阅读延伸:《航空RTM复合材料的发展方向