复合材料先进制造技术分析_先进复合材料制造技术

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复合材料先进制造技术分析

复合材料已成为与钛合金、铝合金、合金钢并驾齐驱的四大航空结构材料之一（在 B787 结构上的用量达总重的 50%，A350XWB 结构上的用量达总重的 52%[1]），其中应用最为广泛的仍然是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等高性能纤维增强的先进树脂基复合材料（以下简称先进复合材料）。基于先进复合材料的反应特性和满足先进复合材料构件内部质量的特定需求，在先进复合材料构件成型过程中，需要加热、加压和抽真空等外在工艺条件。先进复合材料特别突出的成型特点就是材料成型和构件成型最终同时完成，这就决定了先进复合材料构件的形位精度主要依靠模具工装来保证，而且模具材料和模具结构必须满足易于传热、传压和真空完整性好等要求，随着市场对先进复合材料产品质量、性能、成本、周期等

[1]要求的不断提高，促进了先进复合材料工艺技术及其模具和工装技术不断创新发展。

1模具设计与制造技术

在CAD技术发展的推动下，复合材料成型模具和工装广泛采用数字化设计技术，许多常用的结构采用模块化和参数化设计，以提高设计效率。

复合材料模具与常规钣金成型模具的不同之处在于：对累积公差的要求更加严格；模具与零件贴合面尺寸的差异取决于模具的类型和热膨胀特性；复合材料零件的最后尺寸是基体最高固化温度下的尺寸[1]。

在进行模具设计时，重点要考虑热匹配问题，钢和铝的热膨胀系数比大多数碳/石墨复合材料约大出一个数量级，当从固化峰值温度向下冷却时，金属模具的收缩会在构件中引起严重的残余应变或固有应变。在进行模具设计时，如果不能通过尺寸修正，则需要使用热膨胀系数较低的复合材料模具。对于简单的角度回弹问题，在模具设计时，预先把回弹角考虑进去，即制件夹角加上回弹角等于模具的角度，使制件脱模回弹后符合工艺数模要求。对于复杂的制件，采用CAE技术模拟分析模具和工装的结构刚度、热膨胀、温度场分布等效果，[2]为模具温度补偿和回弹修正设计提供依据。

1.1基于成型工艺条件的模具

无论是先进热固性树脂基复合材料，还是先进热塑性树脂基复合材料，其成型过程都需要施加外界压力的压实过程，以排出构件中的空气、压实空隙并实现增强纤维的均匀分布。施加外界压力有几种工艺方式：（1）构件的一面为刚性模具，另一面为依赖气体或液体传压的弹性模具（例如传统热压罐工艺，见图1）或依赖机械传压的刚性模具（例如传统模压工艺，见图2），这是最常用的方式；（2）以热胀材料为芯模，刚性材料为阴模，构件置于芯模和阴模之间，这种方式用于 DC-10 飞机方向舵后上段和海豚直升机的水平尾翼；（3）以热膨胀系数高的材料为芯模，热膨胀系数低的材料为阴模，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和阴模之间；（4）以刚性材料为芯模，热收缩材料为包覆袋，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和包覆袋之间。

图1 传统热压罐工艺

图2 传统模压工艺示意图

不管是热固性树脂基复合材料固化，还是热塑性树脂基复合材料熔化，都需要加热以达到合适的成型温度。复合材料构件的成型模具应当满足加热构件的升温效率和构件温度场分布的均匀性，这种模具按加热方式来划分有几种结构形式：（1）以加热的空气或者惰性气体为传热载体，对“蛋框式”模具加热（以对流换热方式为主，温度较高时热辐射占的份额也

[3]比较大），（2）把热电阻和循环水管直接埋入成型模具中，传热方式以热传导为主。降低先进复合材料构件的空隙率，需要提供合适的真空度工艺条件。目前工程上提供真空的方式大致有：（1）用腻子密封好的一次性使用真空袋连接真空贮气罐，贮气罐与真空泵相连或者真空袋与真空泵直接相连；（2）用可多次重复使用的真空袋连接真空贮气罐，贮气罐与真空泵相连或者真空袋与真空泵直接相连，如图3所示。

图3 复合材料真空袋

1.2 基于构件成型质量的模具

在先进复合材料构件的成型过程中，如果模具材料与复合材料的热膨胀系数不匹配，就会对构件的成型质量产生明显影响。第一，成型过程要经历升温、保温和降温阶段，复合材料与模具热膨胀系数不匹配会使构件与模具接触区域由于摩擦力而产生固化变形。第二，在降温过程中模具比复合材料构件收缩量大很多，带有型面的构件会在制造过程中产生损伤。第三，在升温过程中，复合材料构件尺寸随着模具的热膨胀而变化；在保温过程中，复合材料构件尺寸变化比较小；在降温过程中，复合材料构件尺寸随着模具的热收缩而变化；在整个热历程中，如果模具材料与复合材料的热膨胀系数不匹配，复合材料构件的尺寸偏差会比较大。因此，先进复合材料构件（特别是大型、复杂构件）成型模具应尽可能选用热膨胀系

[4]数与复合材料相近的材料，如殷钢、碳泡沫、碳毡等。

1.3 模具结构形式

复合材料成型工艺方法较多，相应的模具结构形式多种多样，先进复合材料成型模具结构形式主要分为如下几类：

（1）框架式模具

为了增强模模具局部和整体刚度，提高模具型面加热效率，减少模具变形，采用隔栅结构，设计制造模具骨架，框架式模具的结构复杂，由与制件直接接触的型面及格栅结构的支

[5]撑框格组成，且设有通风口及均风孔，同时型面形状随成型制件的形状变化。图4为框架式模具实物照片。

图4 框架式模具

（2）整体式模具

对较小尺寸的复材制件，或采用石墨等材料制造模具时，可采用整体式模具，便于机械加工。如整体石墨模具：具有热膨胀系数低、热导率高、热容量低和尺寸稳定的优点。缺点主要有升温慢和易碎，通常需要表面涂层。

（3）组合式模具 组合模具通常采用金属制造，主要用于压机成型、模压成型、树脂传递模塑成型和注射模成型。组合模通常由上下两个半模构成，其加热方式可以通过模具的上下压盘传导加热，也可以通过附近的热源给模具加热，或内置的模具加热系统加热。液态成型技术包括了树脂转移模塑(RTM)，及由RTM发展出来的真空辅助成型(VARTM)，树脂模溶渗成型(RFI)等。RTM模具结构通常分为三部分，一部分为型体，其余二部分为两个端盖，对形状复杂的或尺寸大的制品可将型体部分再分割组合，分型面分别做出凸舌与凹沟，并在两个端盖处设计注射口及排气口，同时考虑树脂分流道。如图5。

图5组合式模具

（4）自容式模具系统

自容式模具系统，加热和加压是模具的一部分，热源可以是电、热油或蒸汽，能够解决一些热压罐的不足之处，可以用来生产大于现有设备的零部件，且具有成本低、升压速度快、[6]温度控制精确的优点。如图6。

图6 自容式模具

（5）弹性体模具

弹性体模具系统，用于整体加强壁板的共固化制造中，可成型如方向舵、水平安定面、扰流板、副翼以及小型翼盒等盒形结构。弹性体模具系统的一个变种是膨胀芯模或气囊芯模。用外面的充气源给它们充气使其膨胀，并将压力传递到层合板的表面。

（6）易变形模具

易变形模具是指这种模具在某一种物理状态下保持一定模具形状，在另一种物理状态下变成另外的模具形状。比较有代表性的易变形模具是形状记忆高分子模具，这种模具通常由记忆成型构件原始形状的固定相和随温度变化能发生可逆软化与硬化变化的可逆相组成。固定相的作用是记忆与回复成型构件原始形状，而可逆相的作用则是发生与固定形变，国外已

[7]有研究把形状记忆高分子模具用于缠绕成型 S 形复合材料构件。

（7）连续成型模具

主要有拉挤成型模具和挤压成型模具。拉挤加工过程是将浸有树脂的纤维连续通过一定型面的加热口模，挤出多余的树脂，在牵引条件下进行固化。连续挤压是一种多工步过程，其成型模具为组合式，多运动部件组成。首先多层热塑性带在模具中加热并压成层合板，而后将层合板压入成型模具并加热压成所需截面的型材，最后将型材通过连续压模压成所需的弯曲形状，这种方法可以成型弯曲甚至扭转和变截面的型材零件，是一种新型的成型工艺。如图7。

图7连续挤压成型弯曲型材

（8）易溶模具

指采用在某种溶剂中易于溶解的材料运用浇铸法或模压法制成空心或实心的模具。复合材料构件依赖这种模具成型后，从开口处通入合适温度的溶剂，使模具材料溶解进而从构件中流出，流出的溶体和砂子经清理后可重复使用。比较有代表性的是用水做溶剂，即水溶性模具，国外已有把水溶性模具用于共固化成型复合材料副翼的研究。低溶盐和石膏是常用的芯模材料。另外，水溶性型芯材料也可由粘结剂和陶瓷填料组成，粘结剂为有机高分子材料，具有脱水固化、遇水溶解的可逆特性；陶瓷填料由氧化铝和高岭土组成，陶瓷料浆的固相体

[8]积分数使粘结剂具有良好的水溶性和高的热分解温度。如图8。

图8易溶模具

复合材料模具多采用碳纤维或玻璃纤维复合材料制成，模具的热膨胀系数与成型构件的热膨胀系数大致相匹配，很好的保证了产品尺寸和型面精度，且模具重量轻。缺点是模具的制造工艺复杂、表面密封性较差、表面硬度较低、与金属模具相比使用寿命较短，且制造成本高。

2工装设计与制造技术

复合材料制造工装在航空航天制造中往往默默无闻，然而复合材料结构件的质量以及制造成本却与其密切相关，因此实际上工装扮演了幕后英雄的角色。理想的复合材料制造工装特点应该是高精度、高刚度、便于使用，抗高压、无渗漏，不损坏零件，尤其重要的两点是工装材料与零件材料的热膨胀系数匹配以及成本低廉。通用的工装材料主要有铝、钢、殷钢、环氧树脂基复合材料、双马树脂基复合材料和石墨或碳纤维复合材料，其中殷钢和复合材料本身因其较低的热膨胀系数，非常适合航空航天结构件制造，但其制造成本和固化能耗往往不够理想。目前在航空航天复合材料制造领域，针对热压罐固化和非热压罐固化，国外发展出了多种新工装材料和新工装技术，以改进工艺、减少时间、降低能耗、节约成本。

2.1低成本金属工装

殷钢是Invariable Alloy的简称，是铁与镍等稀有金属制成的含有33%左右镍的一种

-6合金，主要的特征是在加热时膨胀系数很小，仅为2.20×10(/℃)，远低于已知的任何一种金属的膨胀系数，只相当于碳钢膨胀系数的1/6，且经适当的回火、压延和旋展后，可均匀地保持近零的膨胀系数。它从根本上克服了碳钢受热易变形的弱点。殷钢主要有殷钢36（含36%的镍）或殷钢42（含42%的镍），是一种低碳奥氏体合金钢，其热膨胀系数与复合[9]材料相匹配，图9为殷钢制造工装。

图9 殷钢制造工装

殷钢具备现有金属和合金中最低的热膨胀系数，是重要的工装材料，而且持久性良好；不过，它很重很贵很难移动，而且整体加热和冷却的周期非常长。诺·格公司和美国 ATK 公司在 F-35 的制造中以及A350 和 787 的机翼与大部分机身制造都中使用了海岸复合材料公司提供的这种殷钢，比如用于 F-35 机翼整体上蒙皮验证件制造的芯轴；庞巴迪公司 C 系列飞机的机翼工装验证件，但造价昂贵。为此，飞机制造商和工装供应商除了研究更轻质、更廉价的殷钢工装设计和制造工艺外，还在探索使用便宜的铝等金属以达到殷钢的效果。

2.2先进复合材料工装

工装重量影响铺放和热压罐成形，由于重量等同于热质量，重的工装在热压罐中需要更长时间达到固化温度和冷却，用复合材料来制造复合材料制造工装就会减少重量和热质量，它们一般比同样的殷钢工装轻 40%，因此在大型结构件制造中受到越来越多的重视。波音与 ATK、Alcore、Cytec、Hexcel、GrafTech、Odyey 公司联合为 787 机身 43 段这个最大的复合材料结构件开发新型芯轴。该芯轴为轻质碳泡沫/双马树脂（BMI）芯轴，比传统殷钢设计要轻 57t，降低了起重机、操作设备和铺丝机的能力要求。美国国防部制造技术项目（ManTech）也在研究经济可承受的 F-35 复合材料工装。复合材料供应商凭借其技术优势对于各种新型复合材料工装进行了大量的尝试，而纳米技术也逐渐进入了这个领域，如图11为[10]F-35的复合材料工装。

图10 F-35的复合材料工装

美国 Airtech 公司与德国 Henkel 公司联合开发了一种新的复合材料工装材料，基于苯并恶嗪（Benzoxazine）的预浸料，以代替高温双马树脂。苯并恶嗪预浸料的玻璃转化温度为 251℃，相当于标准的 177℃固化的环氧树脂加上双马树脂的绝大部分高温性能。在同样的温度固化时，与用双马树脂相比，预浸料工装更容易装袋，无需双马树脂材料那么多的操作。它在还具有固化时的低收缩性和良好的加工质量。最重要的是，它在室温下有6个月的寿命，而绝大多数 BMI 材料只有 4 周。由于可以空运到世界各地而无需干冰，运输成本非常低，其长寿命增加了生产计划的柔性，因为无需赶工以尽快完成工装制造。对其抗剪强度的试验表明，175℃高温时效 10000 小时，还能保持 90% 的抗剪强度。

2.3高效自加热工装

加热均匀性和加热速度是影响复合材料结构件质量和成本的一个重要因素，自加热、少加热以及热管理，作为提高复合材料工装制造效率的方法受到了越来越多青睐。闭式压模的发明者法国 Compose 公司为法国Latecoere 集团制造的复合材料飞机客舱门整体件开发了一种自主式自加热 RTM 工装，如图11所示。这种多件套工装由殷钢、钢和铝组成，可以接受复杂、三维缝合的碳纤维预型件，美国 Prospect 模具公司为该工装供应了多件套 RTM 模具，这些高度组合的结构拥有复杂的外形尺寸。美国威斯特敏特解决方案公司为使用循环水的 RTM 模塑过程开发了一个热管理系统，这可以使得工艺周期缩减 35%，尤其是在大批量时，全面减少系统性成本。

图11 Compose公司自主式自加热RTM工装

美国试金石实验室开发了一种电加热工装（EHT），一 种 用 于 OOA 工 艺 的 自 加 热 泡 沫（CFOAM）。CFOAM 产自粉末沥青煤，经由压入敞口模，在高温下处理并在热压罐中加压，泡沫板粘结在一起形成近无余量薄坯板料，加工成想要的外形。工装表面由 HexTOOL材料这样的复合材料成形。EHT 工装拥有不变的横截面以及工装表面之下的电阻加热泡沫加热元件。石墨电极与元件相连以提供电力，元件本身与工装剩余部分电绝缘。这样，电阻加热就只发生在工装表面之下，使其更节能，而且里面的泡沫基体由于与表面隔热，也不会被加热，减少了热损耗。由于 CFOAM 工装是由粘结在一起的板材制成，需要填有银的导电粘合剂来补偿加热元件以确保其有一致的电流，加热元件通过热障层隔热，比如胶膜、弹性橡胶、水晶纤维或者它们的组合。工装表面使用的碳纤维比碳泡沫导电性强，如果纤维和泡沫接触，短路将造成不均匀加热，通过加热元件的电绝缘，可以实现工装表面的一致性加热。试验结果表明，无论对于平滑的还是复杂的工装外形，该工装的机械属性都与标准的热压罐

[11]固化工装相当。图12所示为美军RQ-7B“阴影”200 无人机机翼蒙皮制造 EHT 工装。

图12无人机机翼蒙皮制造 EHT 工装

法国 Techni Modul 工程公司开发了一种用于高速生产的自加热工装，它是一种薄蒙皮、可自加热和自冷却的工装，能够用于热压罐和 OOA 固化。工装蒙皮可以由金属或复合材料制成，流体循环系统可以使用油、水或者金属基流体，最大的流体温度为 400℃。自加热工装一般来说是厚且重的，而该工装非常薄，这样加热就很迅速，节约能源。热压罐工装一般每分钟温度上升 3℃-4℃，而自加热工装的加热速度为每分钟 20℃-30℃。在减重方面，与公司制造的某殷钢工装相比，后者重达 22t，而前者仅重 5t，使其更加高效。公司还在探索使用厚的三维缝合预型体与一种日本产的薄膜相结合的 RTM 工装概念。

英国 Surface Generation 公司在 OOA 领域的可配置针形工装（RPT）方法上取得了突破，目前该方法拥有一个综合的工装系统，包括工装、加热和冷却系统、数据记录、控制和固化管理软件。在这种智能成形环境下，工装中每个可以动的针可以精确和快速地加热和冷却，针的温度可以以每分钟 200℃的速度增加到最高700℃，模具温度和温度变化速度也可以局部改变。此外，模具加热 / 控制系统可以用于常规工装。安到某现有的热压罐面板工装上时，它可以使热压罐内的加热加速，固化速度可比只利用热压罐时快 20 倍。尽管系统需要可观的电力，但能量消耗则要比热压罐少 5%，而且将加热工装放到热压罐内时，还可以只使用热压罐增压，节省更多的能源和时间。目前，公司正准备将温度 /控制系统用于自

[12]动丝束铺放和自动铺带工艺中.3结束语

近几年来，先进复合材料构件成型模具和工装技术发展迅速，为复合材料构件制造提供了更多的手段和方法。先进复合材料构件对成型的压力、温度和真空条件有具体要求，从模具材料和模具结构方面可以采用适当方式来满足。这些新模具材料和新模具结构技术，有的已经进入可批量生产状态（如殷钢），有的尚处于研究阶段（如形状记忆高分子模具），所以需要分情况、按要求地选择运用这些新模具材料和新模具结构技术。国外在自溶式模具系统、易变形模具、易溶模芯、以及连续挤压成型等模具结构方面已经大量应用，并且在殷钢、碳泡沫、形状记忆高分子材料等新材料方面和电沉积镍、气相沉积镍等模具制造技术方面已成熟应用，虽然有些技术我国已开始起步，但应用的范围和成熟度还满足不了生产需求，急需在这方面加大研发力度，提升复合材料模具和工装技术水平。