RTM技术在大飞机复合材料构件上的应用.pdf

年坛R TM 技术在大飞机复合材料构件上的应用科拉斯化工技术有限公司张保平王运生随着复合材料在飞机结构件上所占比例的提高，R T M 技术在航空复合材料制造中的地位越来越重要。未来在我国大飞机的制造中，R T M 技术的发展和成熟在很大程度上将决定复合材料在航空领域的进一步应用和发展。复合材料在大飞机上的应用现状随着低成本复合材料制造技术的成熟，复合材料构件在大型民用飞机上的应用取得了巨大的进展，其中以A 3 8 0 和B 7 8 7 最具代表性。A 3 8 0 客机上的复合材料用量达2 5，是率先将复合材料用于中央翼盒的大型民用飞机，其他复合材料构件还有水平尾翼、垂直尾翼、后承压框、地板梁和机身壁板等。B 7 8 7“梦想”飞机的复合材料用量达5 0，是第一个使用复合材料整体机翼和机身的大型客机。飞机的主要构件如水平尾翼、垂直尾翼、地板梁、整流罩、机舱门等都采用了复合材料。这些复合材料构件的采用，与金属结构相比，使B 7 8 7 飞机减重约1 8 t，提高燃油效率2 0，与B 7 6 7 相比，飞机的维护成本降低了3 0，同时也使飞机的安全性、舒适性和环保性得到了提高。复合材料整体构件在民机上的6 8 航空制造技术2 0 0 7 年第1 2 期大量应用得益于树脂基复合材料低成本制造技术的日臻成熟和完善。其中，预成型体液体成型技术是树脂基复合材料低成本制造技术的重要方面，而其中的R T M(树脂传递模塑)成型技术已获得了大量应用，成为制造大型复合材料整体构件的先进技术之一。R T M 技术简介R T M 技术是上个世纪7 0 年代出现的一种复合材料液体闭模成型技术，因其具有成本低、可设计性强、产品尺寸精度高、表面质量好等优点而得到迅速发展和广泛应用。目前，R T M 技术已发展到一个成熟阶段，应用范围从民用制品到国防尖端产品，不但品种繁多，而且数量激增。在过去1 0 年里，美国应用R T M 技术的增长率为2 0 2 5，欧洲为8 1 0，R T M 技术已成为复合材料生产领域的主导技术之一。1R T M 技术的分类R T M 技术经过3 0 多年的发展，已经衍生出多种成型技术，主要有：传统R T M：成型时闭合模具，向预制件中注入树脂，注射压力约为0 7 1 4 M P a，所得产品的纤维体积含量约为2 0 4 5。V A R T M(真空辅助R T M)：制品孔隙较少，纤维体积含量可提高到5 0 6 0。R A R T M(橡胶辅助R T M)：使用橡胶模具压紧预成型体并抽真空，使树脂在真空作用下被吸入预制件中，同时也可以给树脂加压(压力较低)。产品的纤维体积含量可达6 0 以上。V I P(真空树脂浸渍法)：利用真空将树脂吸入预制件中进行纤维浸润，产品的纤维体积含量可达6 0 左右。s C R I P T M(西曼树脂浸渍模塑法)：利用真空袋使树脂加压浸渍，浸渍速度快，面积广。树脂在预制件的厚度方向也能充分浸渍，但必须使 万方数据i：。蚓。m 味。嘲复合材料加工用真空袋和软面模具。2R T M 技术的应用情况在9 0 年代国内引进了R T M 设备，并开始在民品生产上大量使用，产品涉及到汽车零部件、医疗设备零部件、包装箱、座椅、头盔等。在国外，R T M 技术不断应用在航空飞行器上，N A S A 在8 0 年代已经开展R T M 技术在飞机主结构上的研发；9 0 年代美国L o c k h e e dM a r t i n 公司已经把R T M 技术应用到F A 一2 2R a p t o r 的结构件上，F A 一2 2 的复合材料重量占飞机结构件总重量的2 7(2 4 为热固性材料，3 为热塑性材料)，其中R T M 工艺制造的零件数超过4 0 0件，所用树脂为环氧和双马树脂；在M ar t i n 公司另一型号飞机上，使用R T M 工艺，使垂尾的零件数从1 3 件变为l 件，减少了1 0 0 0 个扣件，降低了近6 0 的成本。早期，航空领域复合材料零部件的制造主要采用热压罐工艺，一系列的材料、设备和方法为热压罐工艺的实施提供了保障，确保了产品的质量和稳定性，产品生产甚至可达到自动化生产的程度。但是随着民机竞争日趋激烈，军机预算的压缩，热压罐工艺制造成本高的问题逐渐显现，尤其对大中型制品来说，高成本给制造商带来巨大的压力，因此寻找一种低成本、高质量的复合材料成型技术成为关键，R T M 技术也由此在航空业得到了巨大的发展。早期的R T M 技术对于航空产品来说存在着一系列致命的问题，包括产品尺寸和机械性能的不稳定性、纤维含量低、工艺过程容易出现缺陷等。但是随着相关材料和技术的发展，R T M 技术在航空制造方面的应用日益成熟。以下是促进国外R T M技术发展、成熟的几个主要方面：(1)材料的开发和相应标准的建立。要求有适合R T M 技术的树脂和纤维预成型技术，特别是材料性能要稳定，这就需要有相应的标准，使产品制造商能对产品进行工艺参数的控制，保证在同样的工艺条件下生产出同样质量的产品。多维编制预成型体的应用，专用R T M 树脂(例如R T M 一6，P R 2 5 0 等)的出现，都为生产出满足适航要求的R T M产品打下了基础。(2)R T M 仿真技术。R T M 技术的实施是一个较复杂的工艺过程，模具的制造成本和要求都比热压罐工艺要高，因此模具的制作非常关键。R T M 注射过程计算机仿真技术成为模具制造的有力工具。目前，像P A R T R M、R T M w O R x 等专用软件，可以通过建模和材料参数的输入进行计算分析，模拟出树脂在模具中的流动状态和参数，预知最初模具设计中可能会出现的问题并加以解决，大大降低了模具的制作成本。(3)注射系统的发展。随着电子技术的发展，R T M 注射设备也日趋成熟，对树脂的温度控制、注射压力控制、注射量控制等完全可以通过专用的R T M 注射设备来满足。同时，P L C 控制技术的应用保证了生产工艺参数的稳定，使生产出质量稳定的R T M 产品成为可能。(4)R T M 工艺的研发。R T M工艺是多样化的工艺，从传统的R T M 到V A R T M，不同的产品要求，不同的材料，所需要的设备、工艺、注射参数就会不同。仿真软件虽然能模拟树脂的流动状态，但是纤维及铺层的多样性使得软件仿真仍存在一定的局限性，模具设计和注射工艺的制定仍需实际的经验。国外有大量的大学、研究所和公司参与到R T M工艺技术的研究中，为R T M 产品的生产提供了有力的支持。在航空领域，一个复合材料工艺从研发到成熟应用需1 0 1 5 年。国外R T M 工艺技术在航空制作领域的应用已经成熟，而我国R T M 工艺技术的研发还处于起步阶段，在航空领域采用R T M 工艺的产品几乎没有。从国外引进先进的R T M 设备，可以加快R T M 技术在我国的应用速度。北京科拉斯公司引进的法国I S O J E T 公司的专业R T M 设备已经在国内R T M 技术的研发中发挥作用，并已开始用于高性能R T M产品的生产。R T M 技术的工艺过程R T M 技术的工艺过程包括模具、材料、设备和工艺参数的确定等几个方面。1 模具设计和制造根据具体实施工艺采用不同的模具，选用不同的模具材料。大型飞机零部件，像翼盒、尾翼、甚至机翼等，大都采用真空树脂导入工艺，使用单片模具和真空袋膜。而形状复杂的零部件采用闭模注射模具。根据不同制品的成型温度和成型压力，模具材料可以选用钢、铝、复合材料等，以达到模具成本和性能的最优。2 纤维预成型和铺层纤维预成型体可以通过针织、精编、机织、缝纫、多维编织等方式获得。纤维的二维、三维及多维预成型，使R T M 工艺中的纤维铺层简化和高效，有利于纤维含量的提高。使用机械设备制造预成型体大大提高了生产效率，产品的质量及其均一性。3 树脂飞机复合材料整体构件所用树脂一般为环氧、双马和聚酰亚胺树脂，R T M 工艺用树脂应满足如下的条件：具有较低的注射粘度；有较长的注射窗口；固化工艺简单；固化收缩率低；固化时没有或仅有少量小分子释放。4R T M 工艺过程的模拟使用软件模拟R T M 成型过程，可以在制造实物之前对产品进行设计和测试，这样不但可以优化产品性能而且可以节约试验成本。软件模拟可以对成型温度、树脂流动速2 0 0 7 年第1 2 期航空制造技术6 9 万方数据盘垒丛丝堕垒。E Q 垦型塑率、注射压力等成型参数进行优化，优选注射口和排气口，还可以模拟在模腔内埋入传感器对成型过程进行检测和控制。5 注射工艺的确定和R T M 设备的选用R T M 设备的选用和工艺参数的确定是R T M 产品生产中必不可少的一部分。工艺参数的确定是保证产品质量的基础，设备的使用是落实工艺参数并使其在每件产品中保持一致的保证。航空产品对质量及其一致性要求很高，只有通过高性能设备才能保证。高性能R T M 设备是根据产品所用材料和工艺来选择的。R T M设备按使用树脂类型可分为单组份设备和双组份设备；按成型温度可分为中温、高温R T M 设备和特殊R T M 设备；按应用可分为树脂注射R T M 设备和树脂导入R T M 设备。R T M 设备性能参数主要包括温度、压力、流量和比例范围等。以目前国内应用较多的法国I S O J E T 公司R T M 设备来说，双组分R T M 设备采用精密齿轮泵输送材料，连续输出树脂，比例范围大，最高注射温度可达1 5 0，注射压力可达2 5 M P a，控制系统采用P L C 控制，可以锁定注射参数。I S O J E T 公I s O J E T 公司的单组份R T M 设备7 0 航空制造技术2 0 0 7 年第1 2 期司的单组份R T M 注射设备采用电子控制的大容量注射活塞，最高温度1 7 5，最高注射压力3 M P a，可控制注射流量和注射量，同样采用P L C 控制系统，保证产品质量稳定。I S O J E T 公司的特殊R T M 设备是针对聚酰亚胺树脂专门设计的，注射温度可达3 0 0。此外，I S O J E T 公司还有针对大注射量(15 0 k g 树脂注射量)的真空导入R T M 设备。在选用设备时，还要考虑设备的使用成本、维护成本及操作维护的方便性。航空产品R T M 应用实例R T M 产品在小型飞机、直升机及波音和空客大型飞机的结构件上都有应用。下面介绍一个使用R T M技术制造机舱门的具体案例，其工艺过程包括：模具：下模为平板铝模，上模为可加热复合材料模，上下模用钢结构加固。树脂：单组份H E XC E LR T M 一6 树脂。纤维：L y v e r t e xG 8 0 8，2 2 0g m 2，预成型，铺层方向为0。、9 0。、4 5。交替铺层，厚度为1 4 m m。夹芯：R o h a c e l l7 1W F 泡沫夹芯，耐压0 4 M P a，总重量为1 4 0 0 9。预浸料：F i b e r i t eH M Fc a r b o n9 7 7 2 A 一3 5 6 K H T A 一5 H 一3 7 0 一T 2，3 层厚度1 m m 用于角部，4 层厚度1 4 m m 用于顶部。成型工艺参数：树脂注射温度1 2 0，注射时间为2 5 m i n，注射压力为0 4 M P a。固化温度：1 6 0，4 h。产品重量：1 3 4 7 k g。产品经过测试满足指标要求。使用R T M 技术制造的机舱门结构件结束语随着复合材料在飞机结构件上所占比例的提高，R T M 技术在航空复合材料制造中的地位越来越重要。未来在我国大飞机的制造中，R T M技术的发展和成熟在很大程度上将决定复合材料在航空领域的进一步应用和发展。笔者提出几点建议：(1)加强基础研究工作。在民用产品上使用R T M 技术已经相对成熟，但其产品性能要求低，缺乏测试数据。民用产品的R T M 工艺过程在开发R T M 高性能产品时可以借鉴，但在飞机零部件的制作中采用R T M 技术不应只停留在几个产品的制造上，必须深入了解和掌握R T M技术，从建立树脂、纤维预成型体、工艺参数、性能参数等数据库的基础工作做起。(2)多开展技术交流。开放国内各研究所、大学的研究成果并广泛交流经验，尤其在航天领域，R T M技术的研发开始较早，很多经验和成果可以在航空R T M 产品的生产中应用。应适当引进国外先进的工艺、设备和材料，以提高自主开发的起点。(3)注重人才培养。目前国内真正接触过R T M 技术的人并不多，大部分从业人员没有R T M 技术的经验。R T M 工艺的确定需要有丰富的经验和第一手数据，只有在实践中多培养有实际经验的技术人员，才可能用好R T M 技术，生产出满足要求的产品。(责编钟元)万方数据RTM技术在大飞机复合材料构件上的应用RTM技术在大飞机复合材料构件上的应用作者：张保平，王运生作者单位：科拉斯化工技术有限公司刊名：航空制造技术英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2007，(12)引用次数：0次 本文链接：http:/