飛機用ACM的低成本成型方法(Ⅲ)

——熱塑性樹脂基復合材料的低成本成型技術、紡織技術及研究建議

瀧敏美　　天岡和昭

1　熱塑性樹脂基復合材料的低成本成型技術
　　熱塑性樹脂基復合材料(FRTP)有許多優(yōu)點：具有較高的韌性,，原材料可在室溫下貯存,，成型中沒有化學反應因而成型時間短,。注意到這些優(yōu)點，從1980年代開始進行FRTP在飛機結構上的適用研究,，然而由于成型困難，沒有確立實用的成型方法,，幾乎沒有裝機實用,。
　　1980年代后半期,，美國的Lockheed公司對FRTP的應用非常熱心，在該公司試制的ATF(Advanced Tactical Fighter)中,，據(jù)說采用了大量的FRTP,，但最終在批量型的F-22(ATF的正式名稱)中采用的FRTP僅為結構重量的1%,。其理由在于制造成本沒有得到降低^［1］,。
　　成型方面有待解決的問題可以列舉很多：
　?、?飛機結構用材料的熔融溫度高過350℃,，需要高溫成型裝置。成型時粘度高,，成型中需要高壓力。
　?、?飛機結構用材料中有的通過改變結晶度去改變力學性能,，必須嚴格控制冷卻速度,。
　?、?在真空袋材料,、密封材料等輔助材料方面，需用具有耐熱性能的高價材料,。
　?、?預浸料為硬固態(tài)而沒有粘附性,，層鋪困難,。
　?、?預浸料制造困難,，材料成本高,。

　　盡管存在以上問題,，但這種材料低成本成型的潛力仍然沒有改變,，所以現(xiàn)在仍在努力繼續(xù)進行成型方法的研究,。尤其在美國,，以NASA為中心在進行“Direct Consolidate (DC)技術”(把FRTP直接在模具上加熱,、加壓并進行層鋪的方法)的研究開發(fā)。配合該技術,，也在進行高效制作預浸料的技術開發(fā),。
　　與此同時，也在進行以小件大量生產為對象爭取縮短成型周期的技術研究,。
1.1　DC技術
　　當進行復合材料的層鋪時，材料已經硬固,，其后如果不需要加熱、加壓,，就可以大幅度削減加工工時。于是就不需要高價設備,，如熱壓釜或熱壓機之類,，設備費就可以減少,。飛機機身外板及主翼外板那樣的大型制品也就可以不受成型設備大小的限制而進行制作,。
　　在模具上直接進行FRTP層鋪的技術稱DC技術(圖1)^［2］。有進行FW(纖維纏繞)和Fiber Placement(纖維排放,，也稱Tow Placement)二種情況,。后者可層鋪形狀的限制較少,，適用范圍廣。以下介紹DC技術的開發(fā)狀況,。

圖1　FRTP的DC^［2］

1.1.1　纖維排放機頭的開發(fā)　　纖維排放技術中最重要的是層鋪機頭,，給出以下幾例：
　　(1) Delaware大學(圖2)
　　層鋪速度的目標是300 mm/s,。為求機頭小型化^［3,，4］，考慮將其安裝在機械臂端部,。
　　(2) Automated Dinamic Corp.
　　正在ARPA的Thick Composite Technology計劃中開發(fā),。試制了直徑1.22m的補強圓筒^［2，5］,。1995年6月，NASA的Langley Research Center訂購了纖維排放裝置,。加熱用氣焊焊炬^［6］。發(fā)表了使用APC-2(AS4/PEEK)的平板層鋪試驗結果,，但孔隙率高達5%，層間剪切強度也只達到本來值的50%^［7］,，這種狀況似乎距實用尚遠,。

圖2　Delaware大學的纖維排放機頭^［3］

　　(3) Foster-Miller Inc.
　　采用超聲波加熱(圖3),。對APC-2(AS4/PEEK)達到35mm/s的層鋪速度。成型質量不明^［8］,。
1.1.2　連續(xù)纖維纏繞(FW)
　　Purdue大學正在開發(fā)由熱塑性樹脂和強化纖維原材料直接進行纖維纏繞的技術^［9］。用靜電噴涂工藝將樹脂粉末附著于纖維絲束上,，制成絲束預浸料,，并直接進行連續(xù)纏繞(圖4)。

圖3　Foster-Miller Inc.利用超聲波加熱的纖維排放^［8］

圖4　連續(xù)纖維纏繞^［9］

1.1.3　粉包覆絲束預浸技術
　　飛機結構用復合材料中所使用的熱塑性樹脂，溶點高,，難溶于溶劑，制作預浸料困難,，材料成本提高。為克服這一難點,，以NASA為中心正在研究粉包覆法絲束預浸料(在纖維絲束上沾滿樹脂粉末的材料)的制造方法^{［10～12］}(圖5)。該技術不僅限于熱塑性樹脂,，也可考慮適用于熱固性的高耐熱樹脂^［11］。

圖5　粉包覆絲束預浸料的制造工藝^［11］

　　① 不僅限于熱塑性樹脂,，也可能適用于熱固性樹脂,；?、?不使用溶劑；
　　③ 與以往熱固性樹脂預浸料制造方法的成本相當,；
　　④ 熱塑性樹脂的絲束預浸料可在室溫下保存,；
　　⑤ 有柔軟性,，成型操作容易,?？赡苤瞥煽椢锖皖A形體,；
　　可以期待使用粉包覆絲束預浸料的成型技術有如圖6所示的發(fā)展^［10］,。
　　由此看來，與DC技術相關的研究正在積極進行,，但達到實用化似乎還要花若干時間,。

1.2　其他成型技術
　　Du Pont公司的TEPEX(Thermoplastic Engineered Preforms)(圖7)^［13］是一種追求低成本化的想法,，由原材料廠家供給便宜的訂購鋪層板，由機體廠家負責成型,，是一種鈑金結構制造方式。與鈑金的情況一樣,，配合部件的形狀,，可以采用各種成型方法,。由于這種訂購的鋪層板以連續(xù)成型的方法制造,，所以非常便宜。玻纖/通用樹脂的價格水平為＄15/lb,。原材料(纖維和樹脂)的種類和形態(tài)都可以選擇。像飛機部件那樣形狀復雜和要求強度,、剛度時，準備了LDF(Long Discontinuous Fiber)系統(tǒng)^{［14,，15］}(圖8)。LDF是使用不連續(xù)纖維的鋪層板,，以不降低強度、剛度而改善成型性,。使用LDF，可以進行型材的彎曲成型及板材的壓制成型(圖9,，10)。

圖7　TEPEX系統(tǒng)^［13］

圖8 LDF^[15]

圖9 FRTP型材的彎曲成型^[14]

圖10　FRTP的壓制成型^［12］

2　紡織技術
　　與前面介紹的RTM成型技術的開發(fā)同時,，進行了高效制造預形件的紡織技術開發(fā),。如圖11所示,，在RTM成型的成本中,，花在預形件制作上的比例較大^［16］。紡織技術則提供了自動,、快速制作預形件的技術,。紡織技術可如下分類：
① 縫合：把織物重疊加以縫合制成預形件。
　?、?三維織物：不僅平面內而且面外方向上也有絲排列的織物。
　?、?二維編織(編帶)：指通過相互改變單向排列紗的排列順序而得到的帶狀原料形態(tài),。所有的紗都不被切斷而相互交叉地斜向走向。有板狀和中空狀,，特點是制造速度快(圖12)^［17］。

圖11　RTM成型的成本^［16］