飛機(jī)用ACM的低成本成型方法

飛機(jī)用ACM的低成本成型方法（皿）熱塑性樹脂基復(fù)合材料的低成本成型技術(shù)、紡織技術(shù)及研究建議瀧敏美天岡和昭1熱塑性樹脂基復(fù)合材料的低成本成型技術(shù)熱塑性樹脂基復(fù)合材料（FRTP）有許多優(yōu)點(diǎn)：具有較高的韌性，原材料可在室溫下貯存，成型中沒有化學(xué)反應(yīng)因而成型時(shí)間短。注意到這些優(yōu)點(diǎn)，從1980年代開始進(jìn)行FRTP在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的適用研究，然而由于成型困難，沒有確立實(shí)用的成型方法，幾乎沒有裝機(jī)實(shí)用。1980年代后半期，美國的Lockheed公司對FRTP色應(yīng)用非常熱心，在該公司試制的ATF（AdvancedTacticalFighter）中，據(jù)說采用了大量的FRTP，但最終在批量型的F-22（ATF的正式名稱）中采用的FRTP僅為結(jié)構(gòu)重量的1%。其理由在于制造成本沒有得到降低［1］。成型方面有待解決的問題可以列舉很多：飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料的熔融溫度高過350°C，需要高溫成型裝置。成型時(shí)粘度高，成型中需要高壓力。飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料中有的通過改變結(jié)晶度去改變力學(xué)性能，必須嚴(yán)格控制冷卻速度。在真空袋材料、密封材料等輔助材料方面，需用具有耐熱性能的高價(jià)材料。預(yù)浸料為硬固態(tài)而沒有粘附性，層鋪困難。預(yù)浸料制造困難，材料成本高。盡管存在以上問題，但這種材料低成本成型的潛力仍然沒有改變，所以現(xiàn)在仍在努力繼續(xù)進(jìn)行成型方法的研究。尤其在美國，以NASA為中心在進(jìn)行“DirectConsolidate（DC）技術(shù)”（把FRTP直接在模具上加熱、加壓并進(jìn)行層鋪的方法）的研究開發(fā)。配合該技術(shù)，也在進(jìn)行高效制作預(yù)浸料的技術(shù)開發(fā)。與此同時(shí)，也在進(jìn)行以小件大量生產(chǎn)為對象爭取縮短成型周期的技術(shù)研究。1.1DC技術(shù)當(dāng)進(jìn)行復(fù)合材料的層鋪時(shí)，材料已經(jīng)硬固，其后如果不需要加熱、加壓，就可以大幅度削減加工工時(shí)。于是就不需要高價(jià)設(shè)備，如熱壓釜或熱壓機(jī)之類，設(shè)備費(fèi)就可以減少。飛機(jī)機(jī)身外板及主翼外板那樣的大型制品也就可以不受成型設(shè)備大小的限制而進(jìn)行制作。在模具上直接進(jìn)行FRTP層鋪的技術(shù)稱DC技術(shù)（圖1）⑵。有進(jìn)行FW（纖維纏繞）和FiberPlacement（纖維排放，也稱TowPlacement）二種情況。后者可層鋪形狀的限制較少，適用范圍廣。以下介紹DC技術(shù)的開發(fā)狀況。TPWyMeH皿、CnipK*伽TPWyMeH皿、CnipK*伽F*rw!n<4m4At存. Th?ritw-p4aa1<TmptH-tAiSmje圖1FRTP的DC［2］1.1.1纖維排放機(jī)頭的開發(fā)纖維排放技術(shù)中最重要的是層鋪機(jī)頭，給出以下幾例：Delaware大學(xué)(圖2)層鋪速度的目標(biāo)是300mm/s。為求機(jī)頭小型化［3‘4］，考慮將其安裝在機(jī)械臂端部。AutomatedDinamicCorp.正在ARPA的ThickCompositeTechnology計(jì)劃中開發(fā)。試制了直徑1.22m的補(bǔ)強(qiáng)圓筒［2，5］。1995年6月，NASA的LangleyResearchCenter訂購了纖維排放裝置。加熱用氣焊焊炬⑹。發(fā)表了使用APC-2(AS4/PEEK)的平板層鋪試驗(yàn)結(jié)果，但孔隙率高達(dá)5%，層間剪切強(qiáng)度也只達(dá)到本來值的50%［7］，這種狀況似乎距實(shí)用尚遠(yuǎn)。圖2Delaware大學(xué)的纖維排放機(jī)頭［3］Foster-MillerInc.采用超聲波加熱(圖3)。對APC-2(AS4/PEEK)達(dá)到35mm/s的層鋪速度。成型質(zhì)量不明［8］。1.1.2連續(xù)纖維纏繞(FW)Purdue大學(xué)正在開發(fā)由熱塑性樹脂和強(qiáng)化纖維原材料直接進(jìn)行纖維纏繞的

技術(shù)［9］。用靜電噴涂工藝將樹脂粉末附著于纖維絲束上，制成絲束預(yù)浸料，并

直接進(jìn)行連續(xù)纏繞(圖4)。

圖3Foster-MillerInc.利用超聲波加熱的纖維排放l-iti'+f-r：pigl-iti'+f-r：pig■:MPmkiv IM?f-K■-dfcliOfl<?'1nT^lunc-$.drwiwof?rtldrpcnjlwni!n:a!'p：;-3rxlk?nn*rFA=^<-c^ic田海滬rjAr-tf^HHJWeik"圖4 連續(xù)纖維纏繞［9］1.1.3粉包覆絲束預(yù)浸技術(shù)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料中所使用的熱塑性樹脂，溶點(diǎn)高，難溶于溶劑，制作預(yù)

浸料困難，材料成本提高。為克服這一難點(diǎn)，以NASA為中心正在研究粉包覆法

絲束預(yù)浸料（在纖維絲束上沾滿樹脂粉末的材料）的制造方法［10?12］（圖5）。該技

術(shù)不僅限于熱塑性樹脂，也可考慮適用于熱固性的高耐熱樹脂［11］。圖5粉包覆絲束預(yù)浸料的制造工藝［不僅限于熱塑性樹脂，也可能適用于熱固性樹脂；②不使用溶劑；與以往熱固性樹脂預(yù)浸料制造方法的成本相當(dāng)；熱塑性樹脂的絲束預(yù)浸料可在室溫下保存；有柔軟性，成型操作容易?？赡苤瞥煽椢锖皖A(yù)形體；可以期待使用粉包覆絲束預(yù)浸料的成型技術(shù)有如圖6所示的發(fā)展［10］。由此看來，與DC技術(shù)相關(guān)的研究正在積極進(jìn)行，但達(dá)到實(shí)用化似乎還要花若干時(shí)間。圖6用粉包覆絲束預(yù)浸料的成型技術(shù)1.2其他成型技術(shù)DuPont公司的TEPEX（ThermoplasticEngineeredPreforms）（圖7）［⑶是一種追求低成本化的想法，由原材料廠家供給便宜的訂購鋪層板，由機(jī)體廠家負(fù)責(zé)成型，是一種鈑金結(jié)構(gòu)制造方式。與鈑金的情況一樣，配合部件的形狀，可以采用各種成型方法。由于這種訂購的鋪層板以連續(xù)成型的方法制造，所以非常便宜。玻纖/通用樹脂的價(jià)格水平為$15/lb。原材料（纖維和樹脂）的種類和形態(tài)都可以選擇。像飛機(jī)部件那樣形狀復(fù)雜和要求強(qiáng)度、剛度時(shí)，準(zhǔn)備了LDF（LongDiscontinuousFiber）系統(tǒng)m15］（圖8）。LDF是使用不連續(xù)纖維的鋪層板，以不降低強(qiáng)度、剛度而改善成型性。使用LDF，可以進(jìn)行型材的彎曲成型及板材的壓制成型（圖9，10）。圖7TEPEX系統(tǒng)[AvifarnQho?*i老徳

Mfcffinr

OrtQrtlfld

pnftam

mqm^iISMC)€or4rvM-Fs&dt圖8LDF[1圖7TEPEX系統(tǒng)[AvifarnQho?*i老徳

Mfcffinr

OrtQrtlfld

pnftam

mqm^iISMC)€or4rvM-Fs&dt圖8LDF[1GENERALETFEHFOfW-昭CO^tF^f圖9FRTP型材的彎曲成型[14]圖10FRTP的壓制成型［12］2紡織技術(shù)與前面介紹的RTM成型技術(shù)的開發(fā)同時(shí)，進(jìn)行了高效制造預(yù)形件的紡織技術(shù)開發(fā)。如圖11所示，在RTM成型的成本中，花在預(yù)形件制作上的比例較大Hi。紡織技術(shù)則提供了自動、快速制作預(yù)形件的技術(shù)。紡織技術(shù)可如下分類：①縫合：把織物重疊加以縫合制成預(yù)形件。三維織物：不僅平面內(nèi)而且面外方向上也有絲排列的織物。二維編織（編帶）：指通過相互改變單向排列紗的排列順序而得到的帶狀原料形態(tài)。所有的紗都不被切斷而相互交叉地斜向走向。有板狀和中空狀，特點(diǎn)是制造速度快（圖12）［17i。圖11RTM成型的成本［圖12二維編織［17i三維編織：按必要的斷面形狀配置許多紗筒，通過紗筒的反復(fù)復(fù)雜移動而制成異形壁厚斷面的編帶。紗在內(nèi)部呈斜向立體交叉。最近，以紡織技術(shù)制造FRTP絲束預(yù)浸料或混紡紗（增強(qiáng)纖維與熱塑性樹脂纖維的混紡紗）的預(yù)形件之后，也在研究其模壓成型技術(shù)［18，19］。由紡織預(yù)形件成型的復(fù)合材料強(qiáng)度上的優(yōu)點(diǎn)可以舉出提高耐沖擊之類的事實(shí)。但是，由于紡織預(yù)形件中纖維復(fù)雜地相互纏結(jié)，強(qiáng)度和剛度因纖維彎、扭而下降的可能性較大。在使纖維三維取向的方式下（三維編織和三維織物），與以往的層鋪材料相比，纖維方向增加。因此，與以往的層鋪材料相比，可以認(rèn)為面內(nèi)強(qiáng)度和剛度要降低。這樣一來就可以考慮：不可能期待紡織復(fù)合材料有高強(qiáng)度，最終還是應(yīng)抓低成本技術(shù)這一關(guān)鍵。目前，用紡織預(yù)形件成型的復(fù)