飞机用ACM的低成本成型方法

飞机用ACM的低成本成型方法(Ⅲ) ——热塑性树脂基复合材料的低成本成型技术、纺织技术及研究建议 泷敏美　　天冈和昭 1　热塑性树脂基复合材料的低成本成型技术 　　热塑性树脂基复合材料(FRTP)有许多优点：具有较高的韧性，原材料可在室温下贮存，成型中没有化学反应因而成型时间短。注意到这些优点，从1980年代开始进行FRTP在飞机结构上的适用研究，然而由于成型困难，没有确立实用的成型方法，几乎没有装机实用。 　　1980年代后半期，美国的Lockheed公司对FRTP的应用非常热心，在该公司试制的ATF(Advanced Tactical Fighter)中，据说采用了大量的FRTP，但最终在批量型的F-22(ATF的正式名称)中采用的FRTP仅为结构重量的1%。其理由在于制造成本没有得到降低［1］。 　　成型方面有待解决的问题可以列举很多： 　　① 飞机结构用材料的熔融温度高过350℃，需要高温成型装置。成型时粘度高，成型中需要高压力。 　　② 飞机结构用材料中有的通过改变结晶度去改变力学性能，必须严格控制冷却速度。 　　③ 在真空袋材料、密封材料等辅助材料方面，需用具有耐热性能的高价材料。 　　④ 预浸料为硬固态而没有粘附性，层铺困难。 　　⑤ 预浸料制造困难，材料成本高。

尽管存在以上问题，但这种材料低成本成型的潜力仍然没有改变，所以现在仍在努力继续进行成型方法的研究。尤其在美国，以NASA为中心在进行“Direct Consolidate (DC)技术”(把FRTP直接在模具上加热、加压并进行层铺的方法)的研究开发。配合该技术，也在进行高效制作预浸料的技术开发。 　　与此同时，也在进行以小件大量生产为对象争取缩短成型周期的技术研究。 1.1　DC技术 　　当进行复合材料的层铺时，材料已经硬固，其后如果不需要加热、加压，就可以大幅度削减加工工时。于是就不需要高价设备，如热压釜或热压机之类，设备费就可以减少。飞机机身外板及主翼外板那样的大型制品也就可以不受成型设备大小的限制而进行制作。 　　在模具上直接进行FRTP层铺的技术称DC技术(图1)［2］。有进行FW(纤维缠绕)和Fiber Placement(纤维排放，也称Tow Placement)二种情况。后者可层铺形状的限制较少，适用范围广。以下介绍DC技术的开发状况。

图1　FRTP的DC［2］ 1.1.1　纤维排放机头的开发　　纤维排放技术中最重要的是层铺机头，给出以下几例： 　　(1) Delaware大学(图2) 　　层铺速度的目标是300 mm/s。为求机头小型化［3，4］，考虑将其安装在机械臂端部。 　　(2) Automated Dinamic Corp. 　　正在ARPA的Thick Composite Technology计划中开发。试制了直径1.22m的补强圆筒［2，5］。1995年6月，NASA的Langley Research Center订购了纤维排放装置。加热用气焊焊炬［6］。发表了使用APC-2(AS4/PEEK)的平板层铺试验结果，但孔隙率高达5%，层间剪切强度也只达到本来值的50%［7］，这种状况似乎距实用尚远。

图2　Delaware大学的纤维排放机头［3］ 　　(3) Foster-Miller Inc. 　　采用超声波加热(图3)。对APC-2(AS4/PEEK)达到35mm/s的层铺速度。成型质量不明［8］。 1.1.2　连续纤维缠绕(FW) 　　Purdue大学正在开发由热塑性树脂和强化纤维原材料直接进行纤维缠绕的技术［9］。用静电喷涂工艺将树脂粉末附着于纤维丝束上，制成丝束预浸料，并直接进行连续缠绕(图4)。

图3　Foster-Miller Inc.利用超声波加热的纤维排放［8］

图4　连续纤维缠绕［9］

1.1.3　粉包覆丝束预浸技术 　　飞机结构用复合材料中所使用的热塑性树脂，溶点高，难溶于溶剂，制作预浸料困难，材料成本提高。为克服这一难点，以NASA为中心正在研究粉包覆法丝束预浸料(在纤维丝束上沾满树脂粉末的材料)的制造方法［10～12］(图5)。该技术不仅限于热塑性树脂，也可考虑适用于热固性的高耐热树脂［11］。

图5　粉包覆丝束预浸料的制造工艺［11］

① 不仅限于热塑性树脂，也可能适用于热固性树脂；　② 不使用溶剂； 　　③ 与以往热固性树脂预浸料制造方法的成本相当； 　　④ 热塑性树脂的丝束预浸料可在室温下保存； 　　⑤ 有柔软性，成型操作容易。可能制成织物和预形体； 　　可以期待使用粉包覆丝束预浸料的成型技术有如图6所示的发展［10］。 　　由此看来，与DC技术相关的研究正在积极进行，但达到实用化似乎还要花若干时间。 图6　用粉包覆丝束预浸料的成型技术 1.2　其他成型技术 　　Du Pont公司的TEPEX(Thermoplastic Engineered Preforms)(图7)［13］是一种追求低成本化的想法，由原材料厂家供给便宜的订购铺层板，由机体厂家负责成型，是一种钣金结构制造方式。与钣金的情况一样，配合部件的形状，可以采用各种成型方法。由于这种订购的铺层板以连续成型的方法制造，所以非常便宜。玻纤/通用树脂的价格水平为＄15/lb。原材料(纤维和树脂)的种类和形态都可以选择。像飞机部件那样形状复杂和要求强度、刚度时，准备了LDF(Long Discontinuous Fiber)系统［14，15］(图8)。LDF是使用不连续纤维的铺层板，以不降低强度、刚度而改善成型性。使用LDF，可以进行型材的弯曲成型及板材的压制成型(图9，10)。

图7　TEPEX系统［13］

图8 LDF[15]

图9 FRTP型材的弯曲成型[14]

图10　FRTP的压制成型［12］ 2　纺织技术 　　与前面介绍的RTM成型技术的开发同时，进行了高效制造预形件的纺织技术开发。如图11所示，在RTM成型的成本中，花在预形件制作上的比例较大［16］。纺织技术则提供了自动、快速制作预形件的技术。纺织技术可如下分类： ① 缝合：把织物重叠加以缝合制成预形件。 　　② 三维织物：不仅平面内而且面外方向上也有丝排列的织物。 　　③ 二维编织(编带)：指通过相互改变单向排列纱的排列顺序而得到的带状原料形态。所有的纱都不被切断而相互交叉地斜向走向。有板状和中空状，特点是制造速度快(图12)［17］。

图11　RTM成型的成本［16］

图12　二维编织［17］ 　　④ 三维编织：按必要的断面形状配置许多纱筒，通过纱筒的反复复杂移动而制成异形壁厚断面的编带。纱在内部呈斜向立体交叉。 　　最近，以纺织技术制造FRTP丝束预浸料或混纺纱(增强纤维与热塑性树脂纤维的混纺纱)的预形件之后，也在研究其模压成型技术［18，19］。 　　由纺织预形件成型的复合材料强度上的优点可以举出提高耐冲击之类的事实。但是，由于纺织预形件中纤维复杂地相互缠结，强度和刚度因纤维弯、扭而下降的可能性较大。在使纤维三维取向的方式下(三维编织和三维织物)，与以往的层铺材料相比，纤维方向增加。因此，与以往的层铺材料相比，可以认为面内强度和刚度要降低。这样一来就可以考虑：不可能期待纺织复合材料有高强度，最终还是应抓低成本技术这一关键。 　　目前，用纺织预形件成型的复合材料，强度、刚度数据尚少，尚不能充分把握其力学特性。为适用于飞机结构，力学特性的研究是非常必要的。了解最近SAMPE(Society for Advancement of Material and Process Engineering)展示会的内容和研究发表动向，知道有关纺织技术的研究发表在减少，可以认为似乎对纺织技术的热度有所降温。　　　　　　(泷　敏美)