环氧树脂/碳纤维复合材料的成型工艺与应用(中)
2.5 预浸料成型
预先在加热、加压或使用溶剂的条件下,用EP预浸渍CF。预浸料在环境温度下贮存一段时间后仍能保质使用,当要延长保质期时须在冷冻条件下贮存材料。树脂通常在环境温度下呈临界固态,故触摸预浸料时有轻微的粘附感。预浸料用手工或机械铺于模具表面,通过真空袋抽真空,放入热压罐中成型。通常加热使树脂重新流动,终固化。该法的主要优点是可精确地调整EP/固化剂配比和EP在CF中的含量,得到高含量CF;由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂,树脂化学性能、力学性能和热性能是适宜的。主要缺点是热压罐固化复合材料制品的耗费大、作业慢、制品尺寸受限制;模具需能承受作业温度并且生产成本较高。
2.6 低温固化预浸抖成型
该工艺完全按预浸料方法制备,EP的化学性质使其得以在肋-100℃固化。在60℃时,材料可操作保质期可小于1个星期也可延长到几个月。树脂体系的流动截面适于采用真空袋压力,避免采用热压罐。该法除具有传统预浸料成型的优点外,因为仅需真空袋压力,固化温度低,模具材料较便宜且能耗低,采用简单的热空气循环加热室便可容易地制造大型结构。主要缺点是复合材料成本仍高于预浸织物;模具需能经受高于环境温度的温度;因需高于环境温度固化故仍有能耗。
2.7 拉挤成型
该工艺是指将浸渍了EP的连续CF经加热模拉出形成预定截面型材的过程。程序是:①使CF增强材料浸渍树脂;②CF预成型后进入加热模具内,进一步浸渍、基体树脂固化、复合材料定型;③将型材按要求长度切断。该工艺中,EP浸渍CF有两种方式:其一为胶槽浸渍法。即将增强材料通过树脂槽浸胶,然后进入模具,通常采用此法;其二为注入浸渍法。GF增强材料进入模具后,被注入模具内的树脂所浸渍。该法的主要优点是制造速度快,拉挤成型材料的利用率为95%(手糊成型材料的利用率仅为75%);树脂含量可精确控制;由于纤维呈纵向,且体积分数可较高(40%-80%),因而型材轴向结构特性可非常好。主要缺点是模具费用较高;一般限于生产恒定横截面的制品。
3 EP/CF复合材料的应用
3.1 飞行器的轻型化
美国从F-14、F-15战斗机就开始采用EP/CF复合材料,以降低结构质量,提高推力,复合材料占总结构质量的2%-3%。F-18战斗机中先进复合材料已占总结构质量的10.3%,包括水平尾翼、方向舵、垂直稳定板、减速板等,由F-14和F-15的次承力结构材料逐步向主承力结构材料过渡。F-22战斗机中复合材料的用量已达到24%,新一代直升飞机的复合材料用量高达65%-80%。用树脂基复合材料来代替金属材料制造飞机零部件,可使零部件质量减轻25%-50%,先进复合材料在飞机上的用量及其性能水平已成为飞机先进性的重要考核指标之一。以复合材料在飞机发动机中的应用为代表,美国通用电器-飞机发动机事业集团公司(GE-AEBG)和普惠公司等喷气发动机制造公司,以及其它一些二次承包公司都在用高性能复合材料取代金属制造飞机发动机零部件。如发动机舱系统的紧推力反向器、风扇罩、风扇出风道导流片等都用复合材料制造。如发动机进口气罩的外壳是用美国聚合物公司的EP/CF预浸料(E707A)叠铺而成,它具有耐177℃高温的热氧化稳定性,且表面光滑如镜面,有利于形成层流。又如FW4000型发动机有80个耐149℃高温的空气喷口导流片也是用EP/CF预浸料制造的。
3.2 轻型机枪枪架
在轻型自动武器的研制过程中,需要实现的极其重要的战术技术指标是大幅度减轻武器系统的质量,提高武器的机动性,同时保证轻武器的射弹散布精度,尤其是连发射击精度,以满足现代战争对轻武器的战技指标要求。目前,我国在这方面做了大量的工作,已初见成效。如7.62mm重机枪已由53式的40.4kg减轻到67式的15.5kg;12.7mm大口径高射机枪已由原来的180kg减至W85式的40kg,从而大大缓解了武器威力与机动性之间的矛盾,改善了武器系统的战术使用性能。
目前使用的12.7mm大口径机枪仍较笨重,特别是枪架较重,而要实现大口径机枪轻量化,提高其机动性,主要靠采用新材料取代传统材料以及改进枪架结构等措施来实现。利用EP/CF复合材料的高比强度、高弹性模量、高阻尼,以及吸振性好、材料性能的可设计自由度大等特点,可以设计出新型大口径机枪枪架,既能保持原有机枪的结构动力学特性,又可大幅度减轻质量,获得了良好的使用效果,从而开辟了树脂基复合材料在大口径机枪枪架上应用的新途径。
3.3 新型连续抽油杆
有杆泵抽油是当前国内外应用广泛的机械采油技术,抽油杆是有杆泵系统中的关键部件,也是其中薄弱的环节。因为抽油杆在工作过程中要承受交变载荷、振动载荷、冲击载荷以及与油管之间的摩擦等多种载荷作用,而且还要经受工作介质中的酸、碱、盐及沙砾的腐蚀与磨砺,工况十分恶劣。抽油杆失效常会引起油井事故。目前广泛使用的常规钢制抽油杆需要大量接箍连接起来才能使用,这些接箍在使用过程中与油管磨损严重,常常发生脱扣甚至断裂,同时接箍会引起活塞效应,加大了运行阻力。此外,钢制抽油杆密度大,对抽油机提升载荷要求高,而且能耗高。常规抽油杆尤其不能满足深井采油的需要。CF具有高强度、高模量、质轻和耐腐蚀的特点,且价格稳步下降,是制备新型连续抽油杆的理想材料。以CF增强EP为主要原材料,采用拉挤成型工艺制备的新型连续抽油杆具有连续无接箍、横截面小和质轻等优点,完全克服了常规钢制抽油杆的缺点。
3.4 高精度天线
随着我国通讯业的发展,通信卫星日益显示出其重要地位。通信卫星上的通讯天线系统是其关键设备,为了提高通信卫星信号的收发效率,减少信号损失,对卫星天线的制造精度要求很高。卫星天线暴露在环境中,天线材料和天线结构必须经受住空间环境的考验。CF复合材料因其极小的线胀系数,弹性模量与密度、线胀系数之积的比值远高于金属材料,而被天线专家们誉为理想的天线结构材料。复合材料天线反射体的结构形式有夹层结构、薄板(壳)结构两种。夹层结钩天线是以一定厚度的内外蒙皮与轻质的蜂窝或泡沫材料为夹芯而形成截面较厚的均质结构,其特点是质轻、刚性好,有较好的抵御应力变形的能力,是保障天线型面精度的较佳结构形式,故多为天线设计者所采用。由于CF复合材料的比强度和比模量都很高,用其制备薄板式天线,强度、刚性远比铝质天线高,且薄板式结构的天线面板薄、导热快,阳光不均匀照射所造成的面、背和侧的温度梯度小,热应力变形小,更有利于恶劣环境下型面精度的保持。因此,薄板式结构也不失为抛物面天线的一种良好的结构形式。
预先在加热、加压或使用溶剂的条件下,用EP预浸渍CF。预浸料在环境温度下贮存一段时间后仍能保质使用,当要延长保质期时须在冷冻条件下贮存材料。树脂通常在环境温度下呈临界固态,故触摸预浸料时有轻微的粘附感。预浸料用手工或机械铺于模具表面,通过真空袋抽真空,放入热压罐中成型。通常加热使树脂重新流动,终固化。该法的主要优点是可精确地调整EP/固化剂配比和EP在CF中的含量,得到高含量CF;由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂,树脂化学性能、力学性能和热性能是适宜的。主要缺点是热压罐固化复合材料制品的耗费大、作业慢、制品尺寸受限制;模具需能承受作业温度并且生产成本较高。
2.6 低温固化预浸抖成型
该工艺完全按预浸料方法制备,EP的化学性质使其得以在肋-100℃固化。在60℃时,材料可操作保质期可小于1个星期也可延长到几个月。树脂体系的流动截面适于采用真空袋压力,避免采用热压罐。该法除具有传统预浸料成型的优点外,因为仅需真空袋压力,固化温度低,模具材料较便宜且能耗低,采用简单的热空气循环加热室便可容易地制造大型结构。主要缺点是复合材料成本仍高于预浸织物;模具需能经受高于环境温度的温度;因需高于环境温度固化故仍有能耗。
2.7 拉挤成型
该工艺是指将浸渍了EP的连续CF经加热模拉出形成预定截面型材的过程。程序是:①使CF增强材料浸渍树脂;②CF预成型后进入加热模具内,进一步浸渍、基体树脂固化、复合材料定型;③将型材按要求长度切断。该工艺中,EP浸渍CF有两种方式:其一为胶槽浸渍法。即将增强材料通过树脂槽浸胶,然后进入模具,通常采用此法;其二为注入浸渍法。GF增强材料进入模具后,被注入模具内的树脂所浸渍。该法的主要优点是制造速度快,拉挤成型材料的利用率为95%(手糊成型材料的利用率仅为75%);树脂含量可精确控制;由于纤维呈纵向,且体积分数可较高(40%-80%),因而型材轴向结构特性可非常好。主要缺点是模具费用较高;一般限于生产恒定横截面的制品。
3 EP/CF复合材料的应用
3.1 飞行器的轻型化
美国从F-14、F-15战斗机就开始采用EP/CF复合材料,以降低结构质量,提高推力,复合材料占总结构质量的2%-3%。F-18战斗机中先进复合材料已占总结构质量的10.3%,包括水平尾翼、方向舵、垂直稳定板、减速板等,由F-14和F-15的次承力结构材料逐步向主承力结构材料过渡。F-22战斗机中复合材料的用量已达到24%,新一代直升飞机的复合材料用量高达65%-80%。用树脂基复合材料来代替金属材料制造飞机零部件,可使零部件质量减轻25%-50%,先进复合材料在飞机上的用量及其性能水平已成为飞机先进性的重要考核指标之一。以复合材料在飞机发动机中的应用为代表,美国通用电器-飞机发动机事业集团公司(GE-AEBG)和普惠公司等喷气发动机制造公司,以及其它一些二次承包公司都在用高性能复合材料取代金属制造飞机发动机零部件。如发动机舱系统的紧推力反向器、风扇罩、风扇出风道导流片等都用复合材料制造。如发动机进口气罩的外壳是用美国聚合物公司的EP/CF预浸料(E707A)叠铺而成,它具有耐177℃高温的热氧化稳定性,且表面光滑如镜面,有利于形成层流。又如FW4000型发动机有80个耐149℃高温的空气喷口导流片也是用EP/CF预浸料制造的。
3.2 轻型机枪枪架
在轻型自动武器的研制过程中,需要实现的极其重要的战术技术指标是大幅度减轻武器系统的质量,提高武器的机动性,同时保证轻武器的射弹散布精度,尤其是连发射击精度,以满足现代战争对轻武器的战技指标要求。目前,我国在这方面做了大量的工作,已初见成效。如7.62mm重机枪已由53式的40.4kg减轻到67式的15.5kg;12.7mm大口径高射机枪已由原来的180kg减至W85式的40kg,从而大大缓解了武器威力与机动性之间的矛盾,改善了武器系统的战术使用性能。
目前使用的12.7mm大口径机枪仍较笨重,特别是枪架较重,而要实现大口径机枪轻量化,提高其机动性,主要靠采用新材料取代传统材料以及改进枪架结构等措施来实现。利用EP/CF复合材料的高比强度、高弹性模量、高阻尼,以及吸振性好、材料性能的可设计自由度大等特点,可以设计出新型大口径机枪枪架,既能保持原有机枪的结构动力学特性,又可大幅度减轻质量,获得了良好的使用效果,从而开辟了树脂基复合材料在大口径机枪枪架上应用的新途径。
3.3 新型连续抽油杆
有杆泵抽油是当前国内外应用广泛的机械采油技术,抽油杆是有杆泵系统中的关键部件,也是其中薄弱的环节。因为抽油杆在工作过程中要承受交变载荷、振动载荷、冲击载荷以及与油管之间的摩擦等多种载荷作用,而且还要经受工作介质中的酸、碱、盐及沙砾的腐蚀与磨砺,工况十分恶劣。抽油杆失效常会引起油井事故。目前广泛使用的常规钢制抽油杆需要大量接箍连接起来才能使用,这些接箍在使用过程中与油管磨损严重,常常发生脱扣甚至断裂,同时接箍会引起活塞效应,加大了运行阻力。此外,钢制抽油杆密度大,对抽油机提升载荷要求高,而且能耗高。常规抽油杆尤其不能满足深井采油的需要。CF具有高强度、高模量、质轻和耐腐蚀的特点,且价格稳步下降,是制备新型连续抽油杆的理想材料。以CF增强EP为主要原材料,采用拉挤成型工艺制备的新型连续抽油杆具有连续无接箍、横截面小和质轻等优点,完全克服了常规钢制抽油杆的缺点。
3.4 高精度天线
随着我国通讯业的发展,通信卫星日益显示出其重要地位。通信卫星上的通讯天线系统是其关键设备,为了提高通信卫星信号的收发效率,减少信号损失,对卫星天线的制造精度要求很高。卫星天线暴露在环境中,天线材料和天线结构必须经受住空间环境的考验。CF复合材料因其极小的线胀系数,弹性模量与密度、线胀系数之积的比值远高于金属材料,而被天线专家们誉为理想的天线结构材料。复合材料天线反射体的结构形式有夹层结构、薄板(壳)结构两种。夹层结钩天线是以一定厚度的内外蒙皮与轻质的蜂窝或泡沫材料为夹芯而形成截面较厚的均质结构,其特点是质轻、刚性好,有较好的抵御应力变形的能力,是保障天线型面精度的较佳结构形式,故多为天线设计者所采用。由于CF复合材料的比强度和比模量都很高,用其制备薄板式天线,强度、刚性远比铝质天线高,且薄板式结构的天线面板薄、导热快,阳光不均匀照射所造成的面、背和侧的温度梯度小,热应力变形小,更有利于恶劣环境下型面精度的保持。因此,薄板式结构也不失为抛物面天线的一种良好的结构形式。








































