东丽成功研发航空用非热压罐真空成型预浸料

东丽成功研发了新型航空用碳纤维增强塑料(CFRP)预浸料。这种预浸料可作为应用于非热压罐真空成型的的中间材料,制备新型飞机的一级结构部件。未来,东丽将在飞机、汽车和一般工业领域深化这项新技术应用,降低制造成本,满足不断扩大的高性能CFRP部件生产需求。

民用飞机的主翼、机身等一级结构件通常大多采用热压罐工艺实现CFRP预浸料成型。热压罐成型的优点是可制造各类复杂构件,零件质量优异,成型精度高。然而热压罐设备初期投资大,生产效率低,不利于CFRP的推广应用及连续化制造。

 东丽在非热压罐成型技术领域展开研究,于去年成功研发了仅利用大气压加压的CFRP真空成型制造技术。本次又成功开发了适用于真空成型技术的预浸料。采用新基体树脂的新型预浸料制成的飞机一级结构部件,与使用传统预浸料进行热压罐成型的部件相比,冲击后压缩强度和拉伸强度等性能数值基本一致。

使用该新型预浸料制备了长度为2米的飞机尾翼部件的模拟件,与传统预浸料制得的产品相比孔隙率极低。试验结果表明无论从尺寸精度还是内部质量, 该模拟件都符合严格的CFRP航空零部件质量控制标准。

上述内容属于日本产综研“综合科学技术-创新会议(CSTI)”(管理公司:日本科学技术振兴机构)主导的“战略创新项目(SIP)——革命性结构材料”项目成果的一部分。

预浸料的问世避免了一度成为标准工艺的、冗长的手工湿法手糊工艺,并且可以改善产品质量和一致性。因此,产品固化环节成为整个生产过程的焦点,特别是如何避免使用热压罐固化,因为购买和使用热压罐的成本都非常高。于是既可以加快生产速度、节约成本,又可以使产品保持与热压罐工艺相同质量的非热压罐(OoA)工艺成为复合材料行业的新宠。

代替热压罐的方法包括:真空袋法、滚压法、压力袋法。其中,真空袋法最受关注。该工艺是在抽真空的情况下形成最大为1个大气压的压力,在固化炉或加热模具上固化成型高质量产品,而不像传统热压罐法,所需压力几乎要达到10个大气压。这就要求预浸料能够在低温、低压条件下固化,生产出高质量产品。

早期曾试图在固化炉中成型几乎没有改性的热压罐成型用预浸料,但是没有取得成功。于是工程师们开始致力于开发可以在低温下固化的树脂体系,固化温度通常低于100℃。这种第一代OoA预浸料只适用于制作原理样机和便宜的模型。然而,用21世纪初开发的OoA体系可以生产出高质量无孔隙的产品,可以与热压罐工艺相媲美。

根据瑞典联邦技术研究院机械和工艺工程部的Bryan Louis介绍,这种低孔隙率特性非常关键。他说,材料制造商花了很多年研究空气和气体的束缚机理,以及如何在真空固化成型时驱除它们。现在很明确,与热压罐工艺通过压力将空气和可挥发性物质在树脂凝胶时压入树脂液中相比,OoA方法是在凝胶前,在很低的压力下(如1个大气压)将空气和挥发性气体赶出。这就要求预浸料具有透气性,且树脂在凝胶前能保持足够的空隙。因此,合理调整树脂体系的流变性至关重要。

Umeco旗下的先进复合材料集团(Advanced Composites Group,简称ACG)在开发OoA预浸料工艺上做了很多工作。ACG意识到,开发固化温度低于热压罐温度(180℃)的树脂体系对于采用技术水平相对较低的固化炉或加热模具来取代热压罐而言非常关键。然而,这样会导致最终产品的性能略有下降。

ACG是开发低温成型预浸料的先驱。他们的LTM®低温成型预浸料在几个重要项目中得到应用,如:美国X系列样机、著名的波音X45A和X34及诺斯罗普·格鲁门公司(Northrop Grumman)的X47A无人战机。LTM预浸料可以在40℃的低温下固化,如果在初步固化后进行后固化处理,制品的玻璃化温度Tg可达180℃。LTM还用于汽车车身板、赛艇、风力发电机叶片、模具和基础设施。第三代LTM产品LTM310是一种适用OoA固化成型工艺的很好的模具材料,而第一代和第二代LTM在用于模具制作时通常需要通过热压罐固化。尽管初始固化温度只有65-70℃,LTM310的最高使用温度可达180℃。