先進(jìn)復(fù)合材料熱壓罐共固化技術(shù)的低成本工程

以熱壓罐成型技術(shù)為主制造的航空先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在各類飛機制造上都不同程度進(jìn)入了批量生產(chǎn)階段，有的型號已生產(chǎn)了數(shù)百架份的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，并經(jīng) 過了十多年的使用考核，為進(jìn)一步擴(kuò)大先進(jìn)復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用提供了實用的工程經(jīng)驗。但我們必須清醒看到，先進(jìn)復(fù)合材料的制造成本居高不下、批產(chǎn)中質(zhì)量 的不一致性、對先進(jìn)復(fù)合材料特性缺乏足夠的認(rèn)識等仍然是阻礙先進(jìn)復(fù)合材料在飛機上擴(kuò)大應(yīng)用的主要因素，這也是我國航空先進(jìn)復(fù)合材料與先進(jìn)國家航空復(fù)合材料 應(yīng)用差距巨大的問題所在。因此，立足現(xiàn)有的熱壓罐法，如何降低其制造成本是我們的當(dāng)務(wù)之急，如選用工藝特性優(yōu)良的樹脂體系、國產(chǎn)輔助材料的采用、成型模具 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及過程細(xì)節(jié)的嚴(yán)格控制等，都可以在降低制造成本的同時，明顯的提高制件的合格率。本課題針對先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)成型的產(chǎn)品，從材料開發(fā)、 工藝優(yōu)化、性能檢測到售后服務(wù)等環(huán)節(jié)，以低成本為主導(dǎo)線，詳細(xì)描述了一個熱壓罐共固化技術(shù)工程化的范例，達(dá)到了在熱壓罐成型方面明顯降低制造成本的目的?！　?

技術(shù)難點

　　復(fù)合材料共固化技術(shù)要進(jìn)入工程化，必須從材料、工藝、檢測和售后等環(huán)節(jié)入手，高產(chǎn)品質(zhì)量與低制造成本并行研究，高生產(chǎn)效率與低缺陷率并行考慮，建立低成本、高質(zhì)量、高效率和低缺陷的復(fù)合材料工程化制造體系，達(dá)到整個工程的低成本化、技術(shù)完整化。
先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)工程化要實現(xiàn)低制造成本必須攻克的技術(shù)難點主要有：
（1） 低成本的原材料貨源和多品種預(yù)浸料的開發(fā)與儲備；
（2） 共固化技術(shù)所需輔助材料的國產(chǎn)化研究；
（3） 共固化成型工藝的優(yōu)化；
（4） 產(chǎn)品性能檢測項目的合理性以及產(chǎn)品質(zhì)量的保證；
（5） 先進(jìn)復(fù)合材料制品缺陷修復(fù)手段和修復(fù)后的性能表征。

技術(shù)方案

　　1 多品種預(yù)浸料的開發(fā)
由于復(fù)合材料的基體用原材料性能不穩(wěn)定，加上材料體系易受運輸、保管等因素的影響，使得預(yù)浸料的工藝性能出現(xiàn)較大的差異，從而影響先進(jìn)復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì) 量。此外，先進(jìn)復(fù)合材料件在固化過程中出現(xiàn)的某些局部缺陷，由于很難找到一種與之性能相當(dāng)?shù)臉渲w系對其進(jìn)行修復(fù)，構(gòu)件因不能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求而無法使 用，增加了構(gòu)件的制造成本。
為提高和穩(wěn)定先進(jìn)復(fù)合材料的成型質(zhì)量，降低先進(jìn)復(fù)合材料的制造成本，我們根據(jù)不同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件研制開發(fā)了中高溫度固化、韌性不同的NY9200環(huán)氧樹脂體 系，原材料均為國產(chǎn)，價廉易購；其配制工藝簡單，質(zhì)量穩(wěn)定，可用于濕法或干法預(yù)浸，無污染，易工程化；其預(yù)浸料具有貯存期長，固化溫度帶寬，固化時間短等 優(yōu)點；其先進(jìn)復(fù)合材料具有韌性和機械性能兼優(yōu)的特



　該樹脂體系復(fù)合材料已批量用于各類航空產(chǎn)品，經(jīng)測算每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約120元，其制造成本的降低貢獻(xiàn)率為8.6%。

2 輔助材料的國產(chǎn)化研究
共固化技術(shù)采用的是真空-氣壓相結(jié)合的熱壓罐成型法，為保證先進(jìn)復(fù)合材料的制造質(zhì)量，工藝上通常選用的輔助材料有隔離膜、脫模布、真空袋膜和透氣氈等材 料。由于國內(nèi)先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展起步較晚，因此，國內(nèi)許多廠家所用的輔助材料均依賴于進(jìn)口，這樣不僅價格高，需花費大量的外匯（輔助材料成本約占材料總 成本的80%），而且還常常因進(jìn)貨渠道等問題難于保證生產(chǎn)的進(jìn)度需要，特別是先進(jìn)復(fù)合材料制造成本方面，嚴(yán)重地阻礙了這一先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展。經(jīng)過 多年的調(diào)研和試驗，我們在生產(chǎn)中已確定用多種國產(chǎn)輔助材料替換進(jìn)口輔助材料。國產(chǎn)化輔助材料的應(yīng)用，打破了完全依賴進(jìn)口的被動局面，促進(jìn)了國內(nèi)輔助材料的 研究進(jìn)程，使制造成本大大下降。 123456

　　在工程化應(yīng)用實踐中，輔助材料的樣板化下料也是減少生產(chǎn)成本的的重要環(huán)節(jié)。通過對國產(chǎn)輔助材料的使用和生產(chǎn)環(huán)節(jié)過程中的規(guī)范下料，每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約470元，制造成本降低貢獻(xiàn)率高達(dá)33.6%。

3 共固化成型工藝的優(yōu)化
對于封閉式盒形典型結(jié)構(gòu)部件，通常是采用對合?？刂仆庑?，內(nèi)腔橡膠軟模施壓的共固化工藝技術(shù)，也就是在對合模具中，在預(yù)浸料蒙皮、墻體間采用特種橡膠軟模 及真空系統(tǒng)將墻體與蒙皮一次性成型出來，如圖1(a)所示。在加溫固化過程中，對預(yù)制品施加壓力是靠橡膠軟模的熱膨脹力來完成的。這種成型工藝使用的橡膠 軟模成本極高，且存在以下的問題：



（1）對于預(yù)浸料蒙皮或墻體設(shè)計層數(shù)較多時，材料中的小分子物較難排盡，產(chǎn)品容易產(chǎn)生疏松及孔隙率缺陷。 copyright 123456
（2）橡膠軟模是作為壓力源使用的，由于橡膠軟膜較厚，尤其是在角區(qū)，其膨脹能力與其他部位存在差異，不能使墻和蒙皮的過渡角區(qū)完全貼合，導(dǎo)致蒙皮與墻體脫粘、疏松。
（3）軟模各部位的熱膨脹力的計算復(fù)雜，使用次數(shù)有限，成型模設(shè)計要求高。
（4）軟模在加熱過程中因熱傳導(dǎo)問題，導(dǎo)致制件加熱固化不定因素增多，引起固化后質(zhì)量不穩(wěn)定。

針對上述問題，我們經(jīng)過反復(fù)試驗，在工程化生產(chǎn)中不斷改進(jìn)，將軟模共固化工藝優(yōu)化為圖1（b）所示形式，利用這種工藝方案連續(xù)生產(chǎn)300多架份的復(fù)合材料產(chǎn)品，質(zhì)量一直穩(wěn)定。
為提高工程化生產(chǎn)的質(zhì)量，在共固化技術(shù)上除了采用上述工藝方案外，還在預(yù)固化參數(shù)、控制含膠量、氣體導(dǎo)流和尺寸控制等方面采取了優(yōu)化技術(shù)，使熱壓罐共固化技術(shù)達(dá)到最優(yōu)化，產(chǎn)品合格率達(dá)到99%以上。
通過對共固化工藝的多方面優(yōu)化，每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約600元，對制造成本降低的貢獻(xiàn)率為42.8%。 123456

4 性能測試項目優(yōu)化方案
先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件在固化成型后必須進(jìn)行外形尺寸檢驗、內(nèi)部質(zhì)量無損檢測和隨爐試樣的強度測試。檢查時間與整個制件成型時間相當(dāng)。由于產(chǎn)品進(jìn)入批量生產(chǎn)，隨 爐試樣要耗費公司大量的人力物力，因此如何優(yōu)化隨爐試樣的測試項目也是提高生產(chǎn)效率、降低制造成本的一個方面。隨爐試樣的性能不是用來評價設(shè)計強度值的， 而是用來考核工藝的穩(wěn)定性的，根據(jù)國際航空復(fù)合材料轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的一貫作法以及我公司在對60罐次的隨爐試樣的性能測試值進(jìn)行統(tǒng)計分析的結(jié)果，將4項指標(biāo)減為 2項，即留下層間剪切和含膠量。
通過對性能測試項目優(yōu)化，每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約120元，對制造成本降低的貢獻(xiàn)率為8.6%。

5 修補技術(shù)研究
進(jìn)入工程化生產(chǎn)后，由于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用，在此過程中難免存在缺陷/損傷，先進(jìn)復(fù)合材料制件的生產(chǎn)和售后服務(wù)成為急待解決的問題。通過大量的工藝試 驗和強度性能測試，我們對各種缺陷/損傷類型給出了具體的修補方案，形成了修補文件。除常用的注射樹脂修補、填充和灌注修補、螺接外補強板修補以及膠接外 補強板修補方法外，還根據(jù)我們公司復(fù)合材料制件的特點研制了適用于撞擊及碰傷導(dǎo)致的先進(jìn)復(fù)合材料制件內(nèi)部疏松、分層、蜂窩受損等缺陷/損傷的修補法，如預(yù) 浸料補片法、固化補片法。這些方法的技術(shù)難點在于補片的同心度控制和缺口斜階的控制。在同心度方面專門研制了一套定位板用于取樣和定位，在斜階方面通過特 制工具和試驗獲得斜階的長厚比。
在共固化技術(shù)工程化應(yīng)用的前期，我們曾出現(xiàn)過制造質(zhì)量不滿足設(shè)計要求的現(xiàn)象，通過我們的修補技術(shù)，該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件已使用多年，并且質(zhì)量一直良好。在這方面，平均對制造成本降低貢獻(xiàn)率達(dá)到6.4%。

　　結(jié)論

　　先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)在某型機上自90年代初得到應(yīng)用以來，已生產(chǎn)了350余架次，實現(xiàn)了工程化的目 標(biāo)。通過原材料的開發(fā)、輔助材料的國產(chǎn)化研究、共固化工藝的優(yōu)化、性能測試項目的優(yōu)化和修補技術(shù)的研究，將一套完整共固化技術(shù)應(yīng)用于批生產(chǎn)的同時，又獲得 了極大的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)了低成本共固化技術(shù)的工程化應(yīng)用。通過該材料的工程化應(yīng)用，我們可得出以下的結(jié)論：
（1）金屬-橡膠組合式芯模用于盒形結(jié)構(gòu)受力部件的共固化成型，能夠?qū)崿F(xiàn)均壓效果，并能有效降低制造成本；
（2）國產(chǎn)化輔助材料的應(yīng)用，能夠滿足復(fù)合材料制造使用工藝要求，降低工程化制造成本；
（3）工程化生產(chǎn)的隨爐試樣（片）性能跟蹤測試項目，可以進(jìn)行優(yōu)化選擇，以降低生產(chǎn)成本；
（4）工程化生產(chǎn)的同時，開展有針對性的修補技術(shù)研究，既可解決生產(chǎn)過程中超差品的修補問題，也是產(chǎn)品使用過程的有效保障，技術(shù)經(jīng)濟(jì)及社會效果兼得；
（5）降低熱壓罐成型法制造成本的其他有益研究還有待不斷開發(fā)。


單位：中航工業(yè)
作者：馬軍 龍國榮 林業(yè)明