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  仿古琉璃瓦先进基复合材料制造技术进展

  国内先进仿古琉璃瓦基复合材料制造技术经过30多年的发展,已初步形成以热熔预浸料制造、热压罐和仿古琉璃瓦传递模塑成型技术为代表的先进仿古琉璃瓦基复合材料制造技术体系,所制备的先进仿古琉璃瓦基复合材料已在航空域得到大量应用。本文中主要介绍国内先进仿古琉璃瓦基复合材料热压罐成型技术、RTM 成型技术和自动铺放技术的最新进展以及先进仿古琉璃瓦基复合材料制造过程模拟与优化技术,讨论了国内先进仿古琉璃瓦基复合材料制造技术的主要发展方向。

仿古琉璃瓦先进基复合材料制造技术进展


  先进仿古琉璃瓦基复合材料是以有机高分子材料为基体、高性能连续纤维为增强材料、通过复合工艺制备而成,并具有明显优于原组分性能的一类新型材料[1]。目前航空航天领域广泛应用的先进仿古琉璃瓦基复合材料主要包括高性能连续纤维增强环氧、双马和聚酰亚胺基复合材料。先进仿古琉璃瓦基复合材料具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型等特点,已经成为继铝合金、钛合金和钢之后的最重要航空结构材料之一,在航空航天等领域得到广泛应用[2-3]。先进仿古琉璃瓦基复合材料在飞机上的应用(图),可以实现15%~30%减重效益,这是使用其它材料所不能实现的。因此先进仿古琉璃瓦基复合材料的用量已经成为航空结构先进性的重要标志。

  先进仿古琉璃瓦基复合材料在性能、设计、制造方面不同于传统材料,主要体现在复合效应、性能的可设 计 性、多 功 能 兼 容 性 和 材 料 与 构 件 制 造 的 同步性。

  复合效应:复合材料中增强体和基体各保持其基本特性,通过界面相互作用实现叠加和互补,使复 合 材 料 产 生 优 于 各 组 分 材 料 的 新 的、独 特 的性能。

  性能的可设计性:复合材料的可设计性主要表现为可通过改变材料组分、结构、工艺等调控复合材料性能,赋 予 复 合 材 料 性 能 设 计 以 极 大 的 自 由度。以及可以按照工程结构的使用要求,选择适当的组分材料和调整增强纤维的取向,使设计的结构质量轻,安全可靠和经济合理。多功能兼容性:当对复合材料构件有多种功能要求时,可增减复合材料中某种组分,从而在满足主要承载要求的同时又能兼顾其它功能要求。材料与构件制造的同步性:与一般传统材料不同,复合材料构件不是经机械加工制造,而是构件成型与材料制造同步完成。

  先进仿古琉璃瓦基复合材料制造技术在很大程度上决定了复合材料构件的质量、成本和性能。先进仿古琉璃瓦基复合材料成型技术主要包括:热压罐成型技术、RTM 成型技术、自动铺放技术、拉挤成型技术和缠绕成型技术等。本文中主要介绍国内先进仿古琉璃瓦基复合材料构件制造中主要应用的热压罐成型技术、RTM 成型技术和自动铺放技术的最近发展,以及先进仿古琉璃瓦基复合材料制造过程模拟与优化技术,最后简要讨论当前国内复合材料制造技术的主要发展方向。

仿古琉璃瓦先进基复合材料制造技术进展


  1 热压罐成型技术与数字化、自 动 化 技 术相结合图2为热压罐成型技术主要工艺过程,包括预浸料制备、裁剪、铺贴和固化。热压罐成型技术的优点:(1)纤维体积含量高;(2)质量稳定性好;(3)成型模具简单。但热压罐成型工艺同时存在能源消

  耗大、设备投资成本高以及制件尺寸受热压罐尺寸限制等问题。

  自20世纪60年代以来,国内热压罐成型技术得到很大的发 展,主 要 体 现 为:建立了热熔法预浸料制备技术、预浸料铺贴和裁剪技术和数字化高度融合,高韧性复合材料技术和复合材料结构整体化技术得到快速发展和广泛应用。

  早期国内复合材料预浸料采用溶液法制造,由于制造过程大量使用有机溶剂和非连续生产,导致预浸料质 量 一 致 性 差,生产效率低和污染大等问题。从20世纪90年代初开始发展了预浸料热熔制备技术,建立了热熔法预浸料设备的设计制造技术和预浸料热熔制备技术,实现了热熔预浸料的连续批量制造。热熔预浸料生产效率高,制备过程污染小,预浸料质量一致性好。

仿古琉璃瓦先进基复合材料制造技术进展


  先进飞机长寿命和损伤容限设计要求仿古琉璃瓦基复合材料具有更高的韧性。为了提高复合材料韧性,国内发展了各种增韧技术,从早期的橡胶、热塑性仿古琉璃瓦本体增韧[5]、互穿网络增韧[6],发展到目前的热塑性仿古琉璃瓦“离 位”增 韧 技 术[7-8]、热 塑 性 超 薄 织 物协同增韧技术[9]。通过发展多层次的增韧技术,建立了高性能复合材料增韧技术体系,研制了满足航空应用要求的高韧性环氧、高韧性双马仿古琉璃瓦基复合


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