其实,严格来说,VaRTM工艺并不是新玩意,多年来被广泛用于大型游艇制造上,就是把干燥的复合材料纤维布叠放在模具内,通过略低于大气压的真空压力,把液态树脂灌入复合材料纤维叠层间,再低温固化的一种工艺。由于不需要热压炉,零件尺寸也不会被热压炉的大小所限制,而且不必使用热压罐中所需的耐高温材料。

有朋友问,这么好的技术,既然早就有了,为啥不早早用在航空复材生产中呢?

这是因为,VaRTM的真空压力不到1.05kg/cm2,小于热压罐7.03kg/cm2,因此无法充分挤压复合材料纤维布,导致多余的树脂残留在叠层间。因此产品制件一般会较厚。航空工业也用VaRTM,但基本都用在次要结构上。在美国空军研究实验室下属的复合材料可负担性倡议(Composites Affordability Initiative-CAI),1990年代中期曾经研制出不需热压罐固化的LTM系列预浸布,但固化后的机械强度不符航空工业界的要求。此事随后延宕下来,长期没有进展。

但CAI一直没有停止努力,到2005年推出MTM-45和CYCOM-5215复材,固化后质量终于可以与热压罐媲美。并制造了类似F-35的一体式前机身、机翼、垂直尾翼;类似X-45A的油箱及机翼贯穿结构;类似X-45C的机翼;C-17运输机的加劲蒙皮主轮舱门,以验证该工艺做出的结构零件,并最终成功用于洛马的先进复合材料运输机,从而为VaRTM工艺的工程化应用打开了大门。

因此,中航工业目前在热压罐领域的进步,并不意味着可以停止追赶。我们既然能够做得更好,下一步就是想办法做得更便宜。而低温整体成型技术,将是这个目标的又一道艰难关口。

树脂基预浸料技术

《原文》:

中国在树脂基预浸料技术上具有国际先进水平。

进展:

中航复材的树脂预浸料专用生产厂房1.5万平方米,装备4套具有国际先进水平大型热熔预浸机。在技术上,基本掌握第三代高性能复合材料关键技术,5228E、9918和AC531等高韧性树脂复合材料的韧性CAI已达到310MPa以上,达到1990年波音公司制定的高韧性碳纤维环氧预浸料标准(BMS8-276)。

在第三代国产树脂基材料达标的基础上,中航复材系统开展了国产碳纤维树脂基复合材料的工程应用验证,如:

T300:国产T300级碳纤维增强高韧性环氧树脂基复合材料,已经成功应用于飞机的垂尾、平尾和机身尾段等结构。

T700:国产T700碳纤维增强双马树脂基复合材料、高韧性环氧树脂,已成功应用于飞机机翼、机身等主结构。

T800:国产T800级高韧性碳纤维复合材料已经开始了全面性能和制造工艺考核验证。

此外,《原文》虽然提到碳纤维本身耐热,但是将其粘结成型的树脂基体却很难耐受高温;比如波音787上普遍使用的环氧树脂类产品,一般最大工作温度不高于150摄氏度。F22由于存在超声速巡航需求,飞机外表会长时间与空气高速摩擦;因此在机翼复合材料上不惜使用韧性更差、更不耐冲击的双马来酰亚胺树脂基体以获得260摄氏度的最大工作温度。

中航复材具备使用温度从280℃到420℃的多种高温树脂基复材制件的制造能力,并已在某国产先进发动机上,实现了高温复合材料结构的定型生产。

点评:

树脂基材料在碳纤维复材的生产体系中,是我们相对较强的一环。无论是低温固化(低于80°的固化温度),还是高温应用(260°的应用环境),都不含糊。从进度看,已经超前于整体成型技术和自动铺叠技术的发展,不会给大运、四代等关键项目拖后腿。嗯,真让人放心啊。

以上是《原文》中谈到的碳纤维原丝和碳纤维复材技术的发展近况解读。兵器迷后面要说的,是《原文》中稍做提点,却未曾仔细描述的另一种关键技术。

这是什么技术呢?

第二部分

这又是一个技术性很强的话题,兵器迷啃资料的时候,只觉得乏味、干涩、噎人。

咋说呢……基本上就是吃墙皮的感觉。

这位说了,你自己噎着就罢了,现在又来噎我们,真实良心大大的坏了!

其实,就是因为专业性太强,文字过于晦涩,国内进展情况未有公开等诸多因素,兵器迷在《原文》中,对这部分技术未做描述。但这类技术的意义其实对于碳纤维行业非常重大。因此,这一次我们就试着介绍一下。嗓子眼儿小的同学,请飘过直接看小结。

一、碳纤维复材的缺陷与碳纤维表征技术的意义

《原文》中,对碳纤维复材的优点做了比较多的介绍,其实碳纤维也有很多固有的缺陷,这一次就结合表征技术来谈谈这些问题。

首先,由于碳纤维复合材料是以层结构为基础的,而其层间的结合力相对薄弱,所以一旦出现分层的情况,就会对其整体性能造成严重破坏。麻烦的是,航空承力级复合材料部件的损伤,大多数发生在维护时的各种碰撞、拆卸过程中。而因此产生的分层缺陷往往出现在复材内部,一开始从外表面是很难发现的。而制件的结构强度却可能因此最大下降接近一半,对安全运营所造成的潜在风险可想而知。

再有,即使碳纤维原料没问题,加工成碳纤维复合材料时也会遇到难题。因为CFRP是典型的难加工材料。特别是钻削加工时,在钻孔出口处,很容易产生分层、毛刺和撕裂等缺陷,对碳纤维复材的成品质量构成潜在威胁。而孔出口缺陷中,撕裂往往比毛边的尺寸更大。随着钻头的进给速度、进给量、钻头直径和轴向力等因素的增大,撕裂缺陷将变得越发严重。

最后,用于粘结碳纤维和形成复合材料整体的树脂基体的韧性比较差。即便碳纤维复材本身没有问题,其制件之间的粘合也可能因为树脂基性能下降而导致制件解体。

上面种种问题,都导致复材制件质量下降,成本上升,使用安全性受到严重挑战。所以在《原文》中谈到碳纤维复材制件不但生产上独具特征,在日常维护、测试、修复的经验、流程与方法,与金属构件相比,都会发生颠覆性改变。为此,人们需要完全不同于金属探伤的专门技术,来探测碳纤维复材的内部和表面结构,从而在原料生产-产品成型-设备运营的材料全生命过程中,精确把握其材料特征和力学性能。因此诞生了碳纤维表征技术,即对碳纤维材料的表面结构表征和内部结构表征进行探测、研究和分析的技术。