应用于航空的碳纤维复合材料及成型技术发展

  众所周知,影响复合材料性能的三要素是纤维、树脂和界面,所以,树脂起着极其重要的作用。那么,针对环氧树脂基高性能碳纤维复合材料及固化成型技术,基体树脂应该向哪些方向发展?以下一些问题是必须要考虑的。

  无论对于中模还是高强碳纤维,树脂均可以充分发挥应力传递功能,从而最佳发挥纤维性能树脂在复合材料中起着应力传递的作用,这种作用的高低,直接影响最终的材料性能。理论上而言,中模碳纤维和高强碳纤维对树脂的要求是不一样的,但在实际生产中,希望在同一部件中尽可能使用同一种基体材料。

  1.适用于自动铺带和纤维自动铺放技术

  随着航空航天复合材料部件的尺寸越来越大,并且由于人工铺贴的局限性,使用自动铺带技术和自动铺丝技术已经成为必然。但并非所有的基体材料都适用于自动铺贴成型技术,所以基体材料满足自动铺贴成型工艺要求是发展该材料的主要目标之一。

  2.可控的树脂流动,同时对纤维良好的浸渍能力

  所谓零吸胶预浸料的概念现在已经普遍被行业所接受。过去一般认为,预浸料中气泡的排除必然伴随着树脂的析出。现在,技术有了相当的进步,对某些基体而言,即使没有任何树脂的析出,只要工艺条件正确,预浸料固化以后的复合材料照样可以满足航空复合材料在孔隙率方面的要求。这主要得益于树脂流动可控的概念(resin flow cotolled)。另一方面,在固化后的复合材料中,纤维必须被树脂良好浸渍。所以,低孔隙率、低树脂析出、纤维浸渍良好是航空复合材料基体树脂必须要达到的技术要求。

  3.低放热峰性能使超厚的单板结构一次成型

  A380的中央翼是航空复合材料部件中最大的承力构件之一,单板结构的厚度在50mm左右。按传统材料和工艺,由于放热峰的问题,如此厚的板材很难一次成型。另一方面,一次成型大型结构件的优势是显而易见的,所以,制造大型商用飞机用复合材料构件必须要解决超厚板材和放热峰之间的矛盾。M21预浸料则成功地解决了放热峰的问题,并在工艺性能和机械性能上满足中央翼的要求。

  4.优异的韧性和较高的冲击后剩余压缩强度

  部分航空复合材料设计师非常关注CAI(Compress After Impact )数值,尽管也有部分设计师对CAI有不同看法。为满足这样一-种关注, 航空预浸料生产厂家通过各种手段来增加复合材料的韧性,提高冲击以后的抗压强度,例如在树脂中添加增韧材料,或在增强材料上附着增韧材料等。目前,公开资料显示,M91/IM7预浸料固化后按ASTMI37方法测试,在30.5J冲击以后的CAI值可以达358MPa。

  5.良好的粘性寿命和外置寿命

  随着复合材料部件的大型化,铺贴所需操作的时间也越来越长,原有树脂体系的粘性寿命和外置寿命已经不适于这种变化,因此,需要更长的粘性寿命和外置寿命与之相匹配。

  6.简单、通用和成熟的操作和固化工艺

  目前,航空复合材料部件的主流工艺仍为热压釜工艺,冷藏、解冻、裁剪、铺贴、打袋、固化、后加工等系列操作使得复合材料航空部件的制造成本居高不下,也为众多企业进入该行业设置了较高的门槛,这对航空复合材料的大量使用是不利的。所以,人们在不断研究如何使其工艺简单化和通用化,非热压釜工艺(Out of Autoclave)、HexMC等就是在这样背景下的产物。