先进复合材料热压罐共固化技术的低成本工程.docVIP

先进复合材料热压罐共固化技术的低成本工程以热压罐成型技术为主制造的航空先进复合材料结构件在各类飞机制造上都不同程度进入了批量生产阶段，有的型号已生产了数百架份的先进复合材料结构件，并经过了十多年的使用考核，为进一步扩大先进复合材料在飞机上的应用提供了实用的工程经验。但我们必须清醒看到，先进复合材料的制造成本居高不下、批产中质量的不一致性、对先进复合材料特性缺乏足够的认识等仍然是阻碍先进复合材料在飞机上扩大应用的主要因素，这也是我国航空先进复合材料与先进国家航空复合材料应用差距巨大的问题所在。因此，立足现有的热压罐法，如何降低其制造成本是我们的当务之急，如选用工艺特性优良的树脂体系、国产辅助材料的采用、成型模具的结构优化以及过程细节的严格控制等，都可以在降低制造成本的同时，明显的提高制件的合格率。本课题针对先进复合材料共固化技术成型的产品，从材料开发、工艺优化、性能检测到售后服务等环节，以低成本为主导线，详细描述了一个热压罐共固化技术工程化的范例，达到了在热压罐成型方面明显降低制造成本的目的。 技术难点 复合材料共固化技术要进入工程化，必须从材料、工艺、检测和售后等环节入手，高产品质量与低制造成本并行研究，高生产效率与低缺陷率并行考虑，建立低成本、高质量、高效率和低缺陷的复合材料工程化制造体系，达到整个工程的低成本化、技术完整化。 先进复合材料共固化技术工程化要实现低制造成本必须攻克的技术难点主要有： （1） 低成本的原材料货源和多品种预浸料的开发与储备； （2） 共固化技术所需辅助材料的国产化研究； （3） 共固化成型工艺的优化； （4） 产品性能检测项目的合理性以及产品质量的保证； （5） 先进复合材料制品缺陷修复手段和修复后的性能表征。 技术方案 1 多品种预浸料的开发 由于复合材料的基体用原材料性能不稳定，加上材料体系易受运输、保管等因素的影响，使得预浸料的工艺性能出现较大的差异，从而影响先进复合材料的内部质量。此外，先进复合材料件在固化过程中出现的某些局部缺陷，由于很难找到一种与之性能相当的树脂体系对其进行修复，构件因不能满足产品技术要求而无法使用，增加了构件的制造成本。 为提高和稳定先进复合材料的成型质量，降低先进复合材料的制造成本，我们根据不同的复合材料结构件研制开发了中高温度固化、韧性不同的NY9200环氧树脂体系，原材料均为国产，价廉易购；其配制工艺简单，质量稳定，可用于湿法或干法预浸，无污染，易工程化；其预浸料具有贮存期长，固化温度带宽，固化时间短等优点；其先进复合材料具有韧性和机械性能兼优的特性，完全可满足使用温度为80～130的国内先进复合材料对树脂基体的要求。其先进复合材料层压板的基本性能如表1所示。 该树脂体系复合材料已批量用于各类航空产品，经测算每生产1kg的复合材料制件可节约制造成本约120元，其制造成本的降低贡献率为8.6%。 2 辅助材料的国产化研究 共固化技术采用的是真空-气压相结合的热压罐成型法，为保证先进复合材料的制造质量，工艺上通常选用的辅助材料有隔离膜、脱模布、真空袋膜和透气毡等材料。由于国内先进复合材料技术发展起步较晚，因此，国内许多厂家所用的辅助材料均依赖于进口，这样不仅价格高，需花费大量的外汇（辅助材料成本约占材料总成本的80%），而且还常常因进货渠道等问题难于保证生产的进度需要，特别是先进复合材料制造成本方面，严重地阻碍了这一先进复合材料的应用和发展。经过多年的调研和试验，我们在生产中已确定用多种国产辅助材料替换进口辅助材料。国产化辅助材料的应用，打破了完全依赖进口的被动局面，促进了国内辅助材料的研究进程，使制造成本大大下降。 在工程化应用实践中，辅助材料的样板化下料也是减少生产成本的的重要环节。通过对国产辅助材料的使用和生产环节过程中的规范下料，每生产1kg的复合材料制件可节约制造成本约470元，制造成本降低贡献率高达33.6%。 3 共固化成型工艺的优化 对于封闭式盒形典型结构部件，通常是采用对合模控制外形，内腔橡胶软模施压的共固化工艺技术，也就是在对合模具中，在预浸料蒙皮、墙体间采用特种橡胶软模及真空系统将墙体与蒙皮一次性成型出来，如图1(a)所示。在加温固化过程中，对预制品施加压力是靠橡胶软模的热膨胀力来完成的。这种成型工艺使用的橡胶软模成本极高，且存在以下的问题： （1）对于预浸料蒙皮或墙体设计层数较多时，材料中的小分子物较难排尽，产品容易产生疏松及孔隙率缺陷。 （2）橡胶软模是作为压力源使用的，由于橡胶软膜较厚，尤其是在角区，其膨胀能力与其他部位存在差异，不能使墙和蒙皮的过渡角区完全贴合，导致蒙皮与墙体脱粘、疏松。 （3）软模各部位的热膨胀力的计算复杂，使用次数有限，成型模设计要求高。 （