中航工业北京航材院两项成果获二等科技奖

高性能复合材料低温固化和制造模拟与优化系统取得突破

 　　中航工业北京航材院在高性能复合材料低温固化和制造模拟与优化系统取得突破。两项成果分别获得技术发明二等奖和科技进步三等奖，是在航材院副院长陈祥宝专家带领下的科研团队完成。两项成果现己得到大量应用，为树脂基复合材料的发展和应用做出了重要贡献。
　　先进树脂基复合材料的高成本是制约其大规模应用的重要因素，如何在保持复合材料高性能的前提下，降低复合材料的成本一直是复合材料技术研究的难点。复合材料60％～70％的成本来自制造过程，包括能耗、模具和辅助材料成本，这三者同时被复合材料的固化温度所影响。固化温度越高，能耗就越高，模具和辅助材料的成本就越高，如果把复合材料的固化温度降低到80℃以下，能耗就会大幅减低，同时模具材料和辅助材料的选择范围会扩大，就可以选用低成本的模具和辅助材料，这样复合材料的制造成本就会大大降低。抓住了低温固化这个降低制造成本的关键，当把环氧树脂降低到80℃以下低温固化，随即带来的问题是如何使低温固化的复合材料预浸料在室温下有足够长的保存时间。因为一般情况下，能够低温固化的环氧树脂预浸料在室温下的有效使用时间很短，不能满足复合材料构件制造周期的要求。
　　面对难题，航材院历时5年多的研究，解决了上述技术难题。一是合成了新型潜伏性固化剂。这种固化剂在室温下跟环氧树脂反应非常缓慢，但在60℃～80℃时能够迅速和环氧树脂发生化学反应，二是通过控制固化剂在环氧树脂的溶解性和形态，将固化剂做成了在室温状态下不溶于环氧树脂的颗粒，这样固化剂与树脂反应的接触面比较小，但当升温到60℃的时候，固化剂颗粒就会融化，扩大了反应面积，使得复合材料迅速固化，有效地解决了低温固化和室温长储存期的难题。低温固化高性能复合材料的成功研制，解决了复合材料成本过高的问题，而且还具有与常用中温、高温固化复合材料一样的高性能，极大地促进了高性能复合材料应用领域的扩大。
　　如何提高复合材料研究过程的效率?航材院系统研究了树脂基复合材料制造过程的热化学、热物理规律，摒弃从物理本质去模拟的传统思路，而是化繁为简。利用反应和温度这两个核心要素来表征实际的固化反应，采用制造过程固化动力学方程和温度场分布模型。以后，又建立了树脂流动浸润模型，发展了固化变形控制和制造过程工艺优化技术，形成了结构完整、实用的“先进树脂基复合材料制造模拟与优化系统”。该系统具有树脂基复合材料制造过程树脂固化和流动模拟、制造成本和固化变形预测、制造过程工艺参数优化等多种功能。该系统的成功研制，缩短了复合材料的研制周期，提高了研制水平，同时也间接降低了复合材料的制造成本。如某种复合材料的固化时间之前被认为是12小时，但通过该系统工艺优化后，只需经过6小时固化，就能达到之前12小时固化后的性能，明显提高了复合材料的固化效率。
　　“先进树脂基复合材料制造模拟与优化技术”成果，将树脂基复合材料制造工艺从实验研究推进到实验研究和数值模拟相结合的新时期。除此这外，为了满足航空装备轻量化、长寿命对复合材料韧性的要求，持续开展了复合材料增韧技术研究，发展了复合材料树脂基体分子结构改性、高性能热望性树脂本体增韧及“层间协同增韧”技术，建立了高韧性复合材料技术体系，成功研制了具有国际先进水平的高韧性和RTM环氧复合材料及高韧性双张复合材料，为了实现航空复合材料自主保障，开展了国产碳纤维增强高性能复合材料应用技术研究，牵引和促进了国产先进碳纤维实现稳定生产和工程应用。