碳纤维材料在防空导弹应用中工艺与成本分析

  成本属于一个重要的经济概念,其定义也随着社会对经济问题的不断认识而更新。随着这一认识的深入,人们对于航天产品的成本问题也从简单的设计制造过程中的成本消耗,过渡到了整个使用周期的全寿命周期成本。全寿命周期成本是指产品从开始酝酿,经过论证、研究、设计、发展、生产、使用到最后报废的整个生命周期内所耗费的研究、设计与发展费用、生产费用、使用和保障费用及最后废弃费用的总和。

  目前的航天产品中,复合材料结构制造的成本普遍高于金属结构,在防空导弹领域,复合材料构件的全寿命周期成本主要体现在论证、研究、设计和生产阶段,特别是在基础薄弱的情况下,复合材料构件的研究、设计阶段成本比例会大大增加,且远超过传统金属结构产品。因此,随着复合材料应用经验的不断积累,复合材料构件的全寿命成本将呈现显著下降的趋势。而复合材料构件的制造低成本问题,则需要通过先进的制造技术来解决。

  在碳纤维复合材料结构成本构成中,原材料、设备和工装夹具、固化这三个部分成本占到总成本的59%,如果能够充分利用干纤维液体成型、真空炉固化等先进低成本工艺带来的成本效益,则能够大幅度降低产品的制造成本。

  选择干纤维液体成型可以节省大量的纤维预浸运输、保管费用,设备投资也较低。干纤维与液体树脂的成本,比同等的预浸料要低最多70%,预浸料的成本还体现在运输和保管上,一般需要在低温环境下贮存,并且贮存期很短。而干纤维则不存在这个问题,即降低贮存能耗,也方便进行生产规划。采用非热压罐固化工艺的主要目的是在保证同样质量水平的情况下,缩短固化时间、降低能耗,进而降低制造成本。常用的非热压罐固化工艺有真空袋固化、压膜固化微波固化等。

  防空导弹的承载结构比重相对较小,采用碳纤维复合材料替代铝镁等轻质合金带来的减重效果有限,而碳纤维复合材料结构的制造成本普遍高于金属结构,因此在防空导弹结构中选用复合材料时应关住其性能方面的不可替代性和低成本问题,如更高的耐温性、高刚度、复杂结构生产高效性等。

  与之相关的工艺主要有RTM整体成型工艺、耐高温树脂基复合材料成型工艺等。在耐高温树脂基复合材料成型工艺方面,聚酰亚胺树脂基复合材料是国内外研究的热点,目前国际上的聚酰亚胺树脂基复合材料已发展到第4代,其耐温性可在420℃以上,并且在多型导弹上已成功应用,而目前国内的工艺水平相对滞后,在防空导弹上也未见使用。