树脂基复合材料低成本制造-原位固化技术发展及展望.doc

树脂基复合材料低成本制造-原位固化技术发展及展望迪力穆拉提·阿卜力孜段玉岗李涤尘西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安,710049摘要:随着树脂基复合材料应用领域的扩大和使用比重的增加,发展高度自动化的低成本制造技术成为研究热点。本文介绍了集成复合材料自动化的成型方式和新型固化方式为一体的复合材料低成本制造技术-复合材料原位固化成型技术的发展。并就各种固化方式,如:高频电磁波,热,微波,紫外光和电子束等在该工艺上的可行性做了概述,总结了各自的优缺点及存在的问题,为其以后的发展方向做了展望。关键词:复合材料;低成本制造;原位固化;纤维铺放中图分类号:TH39;TB332TheUVin-positemanufacturingbasedonUV-LEDDilmuratAblizDuanyugangLidichenStateKeyLaboratoryforManufacturingSystemsEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’positecuringmethodsexistingnowadaysandnewlyemergedhavebeenintroduced,positesin-positein-situcuringmethod,:icwave,heat,microwave,ultravioletradiationandelectronbeamin-,theirmainprosandconsaresummarizedandauthor’;low-costmanufacturing;in-situcuring;fiberplacement0引言 复合材料因具有高比模量,高比强度,可设计性强,抗疲劳性能和耐腐蚀性能好等优异的性能,在航空航天,运输交通,航海等领域的应用越来越广泛[1-4]。在航空上,从20世纪70年代开始应用到飞机结构上开始,经过几个阶段的发展复合材料在飞机结构上的应用已经实现了从非承力,次承力构件到尾翼再到机翼与机身主承力构件的应用[5]。最新的波音B787飞机复合材料用量占结构重量的50%,而计划中的空客A350飞机上将复合材料的用量提高到52%。复合材料的应用可使飞机结构减重10%-40%,结构设计成本降低15%-30%,不仅提高了飞机燃油效率降低了成本,而且污染物排放量也大大降低[6,7]。飞机结构复合材料的用量多少和结构重量占比已成为衡量飞机整体水平的重要指标。此外,复合材料在船舶,汽车等行业的应用也很广泛。 随着复合材料的应用领域的扩大和使用比重的增加,为了降低复合材料制造成本,国内外相继出现了纤维自动铺放技术(包括自动铺带技术和自动铺丝技术),液体成型技术(包括RTM,VARTM,VARI,SCRIMP和RFI等技术),低温固化技术等低成本制造技术[8,9]。固化作为复合材料构件最终成型必要的工序之一,对复合材料最终性能和其制造成本起着至关重要的作用。现阶段复合材料构件比较成熟的固化方式是热固化。但传统的基于热压灌,热压机等的热固化方式存在诸多缺点,比如:能耗高,成型时间长,固化过程难以控制;成型零件因热效应,残余变形和残余应力大;尤其是对于大尺寸和厚,形状复杂的复合材料构件,不可避免的热梯度会引起固化不均匀和不完全;对预成型件模具要求很高,要采用比较昂贵的INVAR合金制造[10];此外,复合材料构件大小受热压灌容积限制,而热压罐设备成本很高,技术条件复杂,因此制造灵活性差,前期投资巨大等[11]。因此,为了实现复合材料构件固化“无热压灌化”,相继出现了用γ-射线,X-射线,紫外光,微波和电子束等新型树脂基复合材料辐射固化方式。下图1为用于波音787机身段固化的热压罐。用于波音787机身段固化的热压罐 原位固化技术正是在这种背景下发展起来的一种新型复合材料低成本制造技术之一。其以上世纪80年代出现并蓬勃发展的快速成型制造方法为原型:零件在一层一层增材的同时,使其逐步的固化成型而得到最终产品。后来,由于这种方法固有的优点,相继应用到复合材料制造行业上。复合材料原位固化工艺是指:复合材料在一层一层预成型阶段,引入相应的固化源,使最上面几层跟着固化。它结合预成型和固化工艺为一体,使零件铺放成型的同时固化也会完成。原位固化工艺能很好的跟纤维铺放,纤维缠绕,拉挤成型和液体成型等工艺结合,能大大降低复合材料制造成本,在尺寸大和厚的复合材料零件制造中的优势突出。下图2为原位固化跟纤维铺放技术结合的工作原理。纤维铺放原位固化工艺示意