飛機(jī)用ACM的低成本成型方法(Ⅲ)

——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(guó)的Lockheed公司對(duì)FRTP的應(yīng)用非常熱心，在該公司試制的ATF(Advanced Tactical Fighter)中，據(jù)說(shuō)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℃，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。
　　③ 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。
　　④ 預(yù)浸料為硬固態(tài)而沒有粘附性，層鋪困難。
　　⑤ 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(guó)，以NASA為中心在進(jìn)行“Direct Consolidate (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(duì)象爭(zhēng)取縮短成型周期的技術(shù)研究。
1.1　DC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)^［2］。有進(jìn)行FW(纖維纏繞)和Fiber Placement(纖維排放，也稱Tow Placement)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。

圖1　FRTP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：
　　(1) Delaware大學(xué)(圖2)
　　層鋪速度的目標(biāo)是300 mm/s。為求機(jī)頭小型化^{［3，4］}，考慮將其安裝在機(jī)械臂端部。
　　(2) Automated Dinamic Corp.
　　正在ARPA的Thick Composite Technology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Langley Research Center訂購(gòu)了纖維排放裝置。加熱用氣焊焊炬^［6］。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(lái)值的50%^［7］，這種狀況似乎距實(shí)用尚遠(yuǎn)。

圖2　Delaware大學(xué)的纖維排放機(jī)頭^［3］

　　(3) Foster-Miller Inc.
　　采用超聲波加熱(圖3)。對(duì)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3　Foster-Miller Inc.利用超聲波加熱的纖維排放^［8］

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^［11］

　?、?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；
　　③ 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。可能制成織物和預(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(lái)，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。

1.2　其他成型技術(shù)
　　Du Pont公司的TEPEX(Thermoplastic Engineered Preforms)(圖7)^［13］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(gòu)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(gòu)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(Long Discontinuous Fiber)系統(tǒng)^{［14，15］}(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7　TEPEX系統(tǒng)^［13］

圖8 LDF^[15]

圖9 FRTP型材的彎曲成型^[14]

圖10　FRTP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^［16］。紡織技術(shù)則提供了自動(dòng)、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。
　　② 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)^［17］。

圖11　RTM成型的成本^［16］