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制造民机的复合材料

2020-12-21 11:19 来源:《大飞机》杂志

 

  熟悉航空业的人都知道,波音787和空客A350所用复合材料占飞机结构重量的比例分别达到50%、53%。这里的复合材料主要是碳纤维增强树脂,或者叫树脂基碳纤维复合材料。很显然,它由两部分组成:增强材料碳纤维和基体材料基材树脂。

 

  碳纤维

  碳纤维是由聚丙烯腈纤维(PAN)经过氧化–碳化–表面处理–上浆–成卷而成,直径约5〜10微米(0.005〜0.010毫米),长度可达5700多米。这里的聚丙烯腈纤维,是专门用来制造碳纤维的,又叫原丝或前体。一般情况下,两份原丝生产一份碳纤维。

  一根丝束中包含的碳纤维数量用“K”表示,1K=1000根。飞机结构使用最多的是12K、24K。24K以下的丝束,叫“小丝束”。

  用一般市场购买的价格低廉的聚丙烯腈纤维生产出来的碳纤维在48K以上,这种碳纤维叫“大丝束”碳纤维。

  在1315℃碳化的纤维,含有93%到95%的碳元素。拉伸模量为225GPa〜327GPa,东丽公司用“T”表示。T后面的数字,表示强度。数字越大,强度越高。此类纤维归类为中模量碳纤维,用于制造飞机结构件复合材料中的增强体,如,T300、T400、T700、T800、T1000、T1100等。

  在1900℃到2480℃的温度下石墨化的纤维,含有99%以上的碳元素,拉伸模量为300GPa〜700GPa。东丽公司用M表示,如,M35、M40、M50、M60、M70等。数字越大,模量越高。此类纤维归类为高模量碳纤维,多用于制造航天飞船、卫星上要求耐温差、不变形、高精度零件。

  制造碳纤维的原材料还有人造丝、沥青以及生物基的富碳原丝,如木质素或生物基PAN。目前用这些原材料制造出的碳纤维,还不能用来制造飞机结构件。

  基材树脂

  基材树脂是以一种树脂为基础,加入固化剂、催化剂、增塑剂和一些特殊功能颗粒组成的高分子混合物。基材树脂中的基础树脂,分热固性树脂和热塑性树脂两大类。热固性树脂有环氧树脂(EP)、双马来酰亚胺(BMI)、酚醛树脂(PH)、氰酸酯(CE)、聚酰亚胺(PI)等。热塑性树脂有聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚酰胺(nylon,PA-6,PA-12)、聚碳酸酯(PC)等。

  基材树脂是复合材料中最复杂,又变化多端的高分子化学材料。针对结构零件不同的使用要求、不同的制造工艺、不同生产厂家生产的碳纤维,基材树脂需要量身定制。

  例如:波音787的机身、机翼蒙皮使用东丽公司的碳纤维和该公司的环氧树脂基材3900-2B,而其球面框用苏威公司的碳纤维和该公司的环氧树脂基材977,其机翼后缘、活动面使用赫氏公司的碳纤维和该公司的环氧树脂基材8552。

  上述列举的3900-2B、977、8552基材树脂,虽然都以环氧树脂为主,但其他成分都是商业秘密。外界知道的是,固化剂的添加比例很高,环氧树脂与固化剂的比例通常为 2‥1到1‥1。固化剂(B部分)与基础树脂(A部分)在加成反应中按固定比例共反应。

  因此,正确的树脂与固化剂的配比是保证反应完全的关键。否则,树脂既不能完全固化,也不能达到其全部性能。固化剂的类型影响固化后树脂的性能,并进而影响复合材料零件的最终性能。

 

  材料供应状态

 

 

  树脂基碳纤维复合材料的命名,是将所用的碳纤维和基础树脂的商品名称同时列出,并在两者之间加“/”分开。由于使用复合材料制造零件的工艺不同,复合材料的供应状态也不同(见表)。

  表中的基材树脂均是热固性环氧树脂基,它是液态的。当加入固化剂后需要在-18℃环境下运输、保存。

  波音787和空客A350使用的复合材料有以下5种状态:

  1.预浸平纹布。用T800S(或IMA)碳纤维织成平纹布,再浸渍基材树脂,在浸渍布的一面加隔离布,成卷供应给客户。预浸平纹布用于制造长桁和机身框。

  2.预浸单向带。用T800S(或IMA)碳纤维织成300毫米、150毫米、75毫米宽的单向带,浸渍基材树脂而制成。单向带含有10%的纬纱。787机翼和A350-900机翼壁板蒙皮用它制造。

  3.预浸无捻纱带。用T800S(或IMA)碳纤维不加捻的丝束,拉直、压平,形成3.2毫米、6.4毫米、12.7毫米的窄带,再用“固态”浸渍工艺,将基材树脂加入其中而制成。在窄带的一面加隔离布,成卷供应给客户。纱带的宽度、厚度均有严格的公差要求。浸渍树脂要均匀,树脂含量不超过35%。787、A350机身蒙皮、A350-1000机翼蒙皮和梁是用它制造的。波音777X机翼蒙皮用38.1毫米的宽带制造,梁用窄带制造。

  4.干无卷曲织物(NCF)。由多层碳纤维纺织物缝合在一起制成。最常用的无卷曲织物是双轴、三轴和三轴织物,其中纤维束是直的,具有不同方向(0度、45度、90度)以提供多向性能。

  5.干无捻纱带。用IMS65碳纤维不加捻的丝束,拉直、压平,形成3.2毫米、6.4毫米、12.7毫米的窄带。带的两面包覆Cycom7720热塑性树脂薄膜。热塑薄膜保护碳纤维不擦伤,防止纱带分裂。

  基材树脂与碳纤维结合,实际是基材树脂与碳纤维表面的浆料结合。结合的程度又直接影响制成零件的强度。浆料是各厂家的商业秘密。不同生产碳纤维的厂家,所用的浆料不同,因此需要碳纤维与基材树脂配套供应。

 

  两种树脂基碳纤维复合材料

  目前常用的碳纤维复合材料有热固性环氧树脂基碳纤维复合材料和热塑性碳纤维复合材料两种。热固性环氧树脂基碳纤维复合材料,东丽公司已经研制出T1100G/3960。其中T1100G拉伸强度7000MPa,拉伸模量324GPa。3960不需要在热压罐中固化。它既可以用于预浸料,又可用于树脂转移成型(RTM)。

  使用热固性树脂基复合材料存在以下主要问题:

  1.制造787、A350机身、机翼零件所用的热压罐,罐体庞大,建造和使用的费用很高。固化工序得8〜10小时。

  2.预浸料(半固化片)库存期短,一般不超过6个月。运输、保管要在-18℃环境中进行。

  3.压缩强度低,不适合制造承受剪切应力大的零件,如机翼翼肋(787、A350、A220、MC-21等机型的翼肋都是用铝合金制造的)。

  4.在飞机制造中,除了蒙皮与长桁连接不用铆钉外,其它零件的连接还得用铆钉。

  5.回收、再利用困难。

  热塑性碳纤维复合材料,恰好弥补了上述热固性复合材料的缺点。热塑性复合材料中的碳纤维供应状态没有变化,主要是得益于有了新的压缩性能好的树脂,如聚醚酮酮;各种新的、先进的塑料焊接工艺和设备,能适应飞机结构的特点、能在自动生产线上使用。从目前报道中可以看出,正在研发的新型号民机,其机体中热塑性复合材料用量将大大超过50%。

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