材料成型工艺的选择原则及案例.docx
材料成型工艺的选择原那么及案例一、设计选材的一般原那么是：(1)设计选材应以满足结构设计要求、低本钱为基本点；(2)应满足使用环境要求并具有良好的韧性和耐冲击、耐湿热、耐浸蚀、耐老化性；(3)应满足电磁性能、阻燃、燃烧烟雾毒性等特殊性能要求；(4)应具有良好的工艺性、机械加工性、可修补性；(5)应具有与不同材料良好的匹配性；(6)应具有良好的环境相容性；(7)优先选用已有使用经验的材料；(8)材料品种不宜多,供货渠道稳定可靠,尽可能立足国内。在设计选材时,主要考虑的性能包括以下几个方面。(1)首先考虑复合材料的使用温度,根据结构最高工作温度来初 步选定树脂基体类型。环氧树脂一般工作使用温度为80 120° C , 双马树脂一般工作使用温度为130 180° Co(2)着重考虑反映缺陷/损伤和环境影响因素的性能。如冲后压 缩强度(CAI)、开口拉伸强度、湿热环境条件下性能保持率等。(3)着重考虑与固化工艺有关的参数。如固化温度、时间、压力, 后处理温度和时间,对辅助材料的要求等。(4)考虑与特殊性能要求相关的性能,如满足电磁性能、阻燃等特殊要求。(5)采用RTM和RFI工艺成形时，要选择专用的树脂体系。设计 选材需要综合考虑选材原那么和性能要求。二、树脂的选择在复合材料中,树脂基体的作用是：(1)支撑增强材料，通过界面剪切应力形式将外载荷传递给增强 材料；(2)保护增强材料，以兔受环境侵蚀；(3)复合材料的横向性能、压缩性能、剪切性能、韧性等性能主 要取决于树脂基体；(4)复合材料的工作温度、耐湿/热性能、耐老化性能取决于树脂 基体；(5)直接影响复合材料制件成形工艺，如黏性、铺叠性、凝胶时 间、预浸料储存稳定性、固化温度、固化压力、固化时间等。在选择 树脂时,应根据树脂基体的上述作用综合考虑其性能。三、纤维的选择增强纤维是复合材料中主要的组分材料，结构承载所需力学能力 基本上由增强纤维提供。选择增强纤维时主要考虑的是纤维的拉伸模 量、拉伸强度和密度，因而结构设计所要求的比强度和比刚度大小就 基本上决定了所选择的纤维种类。飞机结构上常用的增强纤维有碳纤 维、芳纶、玻璃纤维、硼纤维等，其中碳纤维由于性价比拟高而应用 最广，硼纤维因纤维直径太粗又刚硬，以致成形加工性不好，加上价 格贵昂，因而应用十分有限。四、复合材料选材分析实例F- 22先进战术战斗机是21世纪初美国空军的主力机种。F-22 设计时的复合材料选材分析说明了复合材料在第四代战斗机上的重 要地位及其应用部位。(1)选用复合材料的考虑a.由于增加非常规机动性能带来的减重要求。要求在失速条件下 仍能作可控机动飞行的能力，使得F-22采用最正确气动控制舵面和推 矢量喷管新技术，从而使飞机增加重量10%左右。解决增重最有效的 技术途径是采用比传统材料轻17%19%的轻质高强复合材料。b.由于隐身要求而引出的对吸波材料、平滑圆角过渡大型连续的 整体结构成形工艺的要求。c.低本钱要求。采用复合材料技术具有较大降低本钱的空间。d. F-22树脂基复合材料的用量由原计划40%降至25% ,主要原因 是机翼上的三根复合材料翼梁在打靶试验时抗30mm径机炮的弹伤能 力差,从而改为钛合金主翼梁与复合材料中间梁的混合式结构。(2)复合材料构件的选材与分布F-22上复合材料不仅用于蒙皮而且用做平尾水平枢轴及翼梁。 几乎所有的蒙皮均采用双马来酰亚胺碳纤维复合材料制造。飞机结构 的最高工作温度为147° C,环氧的工作温度为118*C,而改良的双马 来酰亚胺工作温度为149177。C,韧性好，并具有良好的加工性。故双马来酰亚胺碳纤维复合材料IM7/5250-4用于蒙皮、肋、梁等结构。温度较低的进气道壁板蒙皮采用增韧环氧树脂复合材料IM7/977-3等;舱门、口盖等易碰撞处采用热塑性复合材料;油箱材料 选用空心S-2玻璃纤维复合材料，它具有较好的抗弹击能力、防火性 能和耐环境性，而且重量比-般的玻璃纤维轻15%20%o机翼正弦 波梁、前机身框架、驾驶舱地板加强件等结构采用了预成形体/RTM 工艺成形法制造，蒙皮、平尾水平枢轴等结构采用了纤维铺放工艺制 造。五、模具的选择模具是复合材料成形的关键技术之一。碳纤维树脂基复合材料常 用的模具有金属模具、复合材料模具、木模、橡胶模具等，但应用最 广泛的是金属模具。碳纤维树脂基复合材料成形模具的设计一般遵循以下原那么。(1)要脱模方便。尽可能采用凸模设计方案，以便铺叠和脱模;脱 模过程中对制件不能产生损伤;复杂形状产品应设计成易拼装拆卸的 组合模。(2)满足结构件设计的精度。模具尺寸精确，外表光滑、平整、 密实、无裂缝、无针眼。(3)有足够的强度和刚度。(4)有足够的热稳定性,防止加热时变形,影响产品质量。(5)模具热容量小，以便在热:压罐里能均匀升温。(6)由于热膨胀的影响，不能将金属阴模制成连续封闭的整体，以免在降温时复合材料在密封的整体模腔内承受巨大的压应力，导致 制件损坏。(7)重量轻，方便搬运。模具加工本钱低。六、成形工艺的选择成形工艺的选择原那么包括以下几个方面。(1 )满足制件的形状和尺寸。所选工艺既要满足构件的形状尺寸 要求，也要满足结构装配精度要求。(2)满足制件的性能要求。性能要求高的制件，一般采用热:压罐 成形。(3)制件数量的多少。数量大的制件应考虑连续生产问题，包括 模具的制造和成形工艺。(4)允许的生产条件，包括现有或新增的场地和设备。(5)生产本钱低，包括场地、设备、模具、人工、检验本钱。(6)优先选用有使用经验的成形工艺方法。
