航空航天用碳纤维结构件的制造工艺

  航空航天用复合材料产品的制造一般有以下流程:材料的选择,预成型体的铺覆,固化工艺程序,产品的后处理,产品的机械加工。目前,航空航天用复合材料固化工艺程序较为先进且流行的是热压罐工艺和液体成型工艺(RTM、VARI) 。

  (1)热压罐工艺

  热压罐作为航空复合材料制件主要的生产设备,是一个具有整体加热系统的大型压力容器。因此常见的结构是一端封闭,另一端开门的圆柱体,为复合材料之间的压实和固化提供必要的热量和压力。热压罐工艺的主要优点之一是适用于多种材料的生产,只要固化周期、压力、温度在热压罐极限范围内的复合材料都可以生产。另一个优点是它对复合材料之间的加压灵活性强。通常制件铺放在模具的一面,然后装入真空袋中,施加压力到制件上使其紧贴在模具上,制件上的压力通过真空袋内抽真空而进一步被加强。因此热压罐成型技术可以生产不同外形的复合材料制件且成型后的制件具有力学性能优异、树脂含量均匀、内部结构致密、缺陷少等优点,一般用于航空航天主承力结构件的生产,如机身、机翼、主梁等。

  然而热压罐工艺高昂的制造成本已经引起了人们的关注,因此在低成本化生产中一般采用低温、低压的成型工艺所代替。随着F-35战斗机的研制,很多飞机用复合材料部件非热压罐制造技术验证工作取得进展,如真空袋工艺、RTM工艺。

  (2)真空袋工艺VARI

  VARI工艺在制备板材时,仅需一面光滑硬质 (钢材、玻璃钢等)模具,在模具上方铺覆预成型体及塑料真空袋,利用真空泵将预成型体中的气体抽出并压实,同时利用真空负压将树脂抽入预成型体,通过真空压下树脂的缓慢流动、实现对纤维织物的渗透浸渍。浸渍完成后,再按照树脂的固化工艺进行保压固化。这不但可以降低成型过程中有毒气体的挥发,而且容易控制树脂的含量,从而保证无人机复合材料制件质量的稳定性。

  该工艺设备简单、投资较少、容易操作,但成型压力相对较小,0.1MPa,因此一般用于生产1. 5mm以下的航空复合材料层合板及蜂窝夹芯结构,适用于生产小型航空飞机大部分制件的生产需求,如雷达罩、导流罩、舱门等。

  (3)RTM工艺

  RTM (树脂传递模塑)工艺始于上个世纪40至50年代,它是由湿法铺层手糊成型工艺和注塑成型工艺演变而来的一种封闭模具的成型工艺。RTM成型工艺一般是指在模具的型腔中预先铺放好结构和性能设计好的增强材料预成型体,进行闭模锁紧,保证型腔的气密性,之后将按照比例配好的树脂在一定温度和压力下,由设计好的注射口注入膜腔中,树脂流动排除全部气体,浸润纤维,并在模具加热系统下进行固化成型,最后脱模得到成型两面光滑的构件。其具有生产质量高、稳定性好、周期短等特点。一般用于航空航天主承力结构件、次承力结构件的生产,如机身、垂尾、平尾、起落架等。

  通过论述高分子基复合材料在航空航天领域的应用情况,探究不同树脂体系结构与功能之间的关系及在不同航空航天部件的应用情况和改性方法。阐述了航空航天领域中复合材料的制造工艺,表明了高分子基复合材料不仅可以满足材料的高强度、稳定性以及耐腐蚀性等要求,而且很大程度的减轻了制件的重量,缩短了产品制造的周期,可以更好的满足在航空航天领域的需求。但同时也对相关技术提出了更高的要求,也需要大量资金的投入,加大科技创新力度及对人才的培养。我认为,随着国家越来越重视基础学科的发展,高分子基复合材料能够立足于材料领域并且逐步取代传统材料,并且随着科学技术的进步,高分子基复合材料的研发及制造工艺会越来越成熟,能够在航空航天领域取得重大突破。