「复合材料前沿」航空航天工业树脂传递模塑(RTM)和真空辅助树脂传递模塑(VARTM)技术详解(二)

B站影视 2025-01-09 21:03 3

摘要:如图1所示,树脂传递模塑(RTM)工艺使用两个模具:上模(芯)和下模(型腔)。在生产过程中,将“预成型件”放置在模具内,然后关闭模具,提供真空密封,施加真空开始注射。该工艺的整个周期时间取决于准备预成型件所需的时间、注射速度、树脂固化速率。一般来说,航空航天级

报告审查了航空航天工业的现状,特别关注用于运输飞机的树脂传递模塑(RTM)和真空辅助树脂传递模塑(VARTM)。

2.1 树脂转移成型历史

如图1所示,树脂传递模塑(RTM)工艺使用两个模具:上模(芯)和下模(型腔)。在生产过程中,将“预成型件”放置在模具内,然后关闭模具,提供真空密封,施加真空开始注射。该工艺的整个周期时间取决于准备预成型件所需的时间、注射速度、树脂固化速率。一般来说,航空航天级环氧树脂的固化时间在180-190℃下为2小时。在固化结束后,打开模具,脱模。RTM工艺诞生于20世纪30年代。当时,该工艺被称为Marco工艺,最初用于玻璃纤维(Mountifield, 1969)。随后,在20世纪40年代,美国海军开始使用RTM技术建造船,这被认为是该工艺的最早应用。然而,由于当时技术的限制,RTM仅能用于制造非常简单的几何形状,这限制了其工业应用(Potter K., 1999)。

在20世纪50年代,与RTM工艺相关的专利记录开始出现。1955年2月颁发的专利描述了一种可用于制造飞机和汽车车身的RTM工艺(Potter K., 1999)。该专利中描述的工艺几乎与当前的RTM工艺相同。

自20世纪60年代以来,许多公司开始使用RTM工艺生产飞机部件,如雷达罩和螺旋桨(Cooper,1969年)。然而,由于当时RTM工艺操作复杂,因此无法制造复杂的三维部件。因此,RTM在20世纪60年代未能在航空航天领域得到大规模应用(Potter K.,1997年)。

到了20世纪70年代,随着模具设计、注射技术和树脂性能的改进,RTM的成本开始下降。同时,自动化RTM生产线的投入使用进一步推动了这一工艺的发展(Potter K.,1997年)。当时,主流的复合材料生产流程——高压釜(AC)预浸料工艺是一种高度劳动密集型的过程,这促使许多公司开发了非高压釜(OOA)工艺,使得RTM成为最有前途的替代方法之一。20世纪70年代末,航空发动机压气机叶片等高精度RTM部件开始设计和生产(Jones & Johnson,1980)。

在20世纪80年代,许多公司开始设计和制造复杂的复合材料部件,以减轻飞机重量并提高燃油效率(Morgan,1989)。在这一时期,复合材料技术得到了极大的改进,包括增强材料、预制件生产、注塑成型和流体建模。空中客车和波音公司也开始设计并制造复合材料部件,进一步推动了RTM工艺的发展和应用。

空中客车A300和A310以及波音757和767使用了“石墨复合材料”(Das,Warren West,& Schexnayder,2016)制造的二级结构(如电梯、舵、副翼或扰流板)。与此同时,RTM的应用兴趣也逐渐增加,针对不同的工业环境和挑战,开发出了多种RTM变体(Potter K.,1999)。

2.2 树脂转移成型的优点

与传统的航空航天制造工艺相比,RTM具有许多显著优点:表面光洁度可调:由于采用密闭模具工艺,RTM能够根据需求调整表面光洁度,可以达到哑光或装饰性光洁度(Potter K.,1997)。减少后期处理需求:与传统的高压釜(AC)生产相比,RTM在后期阶段可能不需要复杂的后处理工序(Woo Kim,Lee,Seferis,& Nam,1997)。适应厚叠预制件:RTM可以加工厚叠的3D编织、缝合或编织的预制件(Gardiner G.,2016b)。增韧树脂系统:RTM可以使用各种当代增韧树脂系统。通过使用带有热塑性面纱的干织物或带有粘结剂的织物,也能增加材料的韧性(Forsdyke,1984)。节省资本:RTM不需要高压釜,从而节省了大量资本;然而,RTM的变体也可以在高压釜中完成,从而重复利用已有设备。等温加工:RTM允许等温加工,显著缩短了生产周期。出模时间灵活:在RTM中,部分铺层期间对干织物几乎没有出模时间的限制。树脂可以与干织物分开储存,通常需要冷藏;较新的树脂有时可以在常温下储存。使用干织物增强剂还能节省成本,因为预浸料废料比干织物更贵。精确控制纤维体积分数:对于固定腔模具,RTM可以精确控制纤维体积分数,确保批量生产过程中具有一致的机械性能。低孔隙率:RTM中导致孔隙的因素与预浸料不同。通过适当设计模具和良好的工艺控制,可以常规实现非常低的孔隙率(Robertson,1988)。

10.生产复杂零件:RTM可以生产非常复杂的零件;通过RTM生产的组装零件可以统一设计,改善零件集成并降低维护成本(Gardiner G.,2016b)。

2.3 树脂转移成型材料

2.3.1 加强材料

用于树脂浸渍的增强纤维与预浸料系统中使用的纤维系统相同,但可以以不同的结构形式购买。这些结构包括织物和单向(UD)织物,这些都可以在任何树脂浸渍工艺中使用。织物和单向织物是最常用的增强材料。另外,非织造布(NCF)是干织物特有的一种材料,通过小缝连接多层增强织物。这种结构有助于提高切割速度(因为原材料的切割次数减少),缩短铺层时间,减少织物方向偏斜的可能性,并增加穿透厚度的渗透性。这些堆叠层可以是编织或单向纤维,并根据具体应用进行定制,典型的纤维方向包括0/90和+45。带有热塑性面纱或粘结剂的干织物可以通过低温热成型工艺实现织物堆叠的自动预成型。热塑性材料或粘结剂的添加还可以提高复合材料系统的韧性,因为添加到树脂中的增韧剂在树脂浸渍过程中会被增强材料过滤,从而产生各向异性的韧性。干带也可以用于典型的自动化纤维铺放(AFP)系统,并可以生产不同宽度的带(0.25英寸至1英寸)。然而,与通过加热融化树脂系统将单个织物层粘合的预浸料不同,干织物需要热塑性面纱或粘结剂在铺设过程中将各个层粘合在一起。常规加热器可用于热塑性材料的熔化,温度约为212°F。一旦形成,各种RTM工艺通常可以处理任何干织物预成型件。然而,自动化和手工铺层会有不同的方式来准备预成型件进行树脂浸渍。例如,带“T”型加强肋的集成翼皮需要为闭模树脂转移成型或单模真空辅助树脂转移成型进行不同的模具设计。

2.3.2 树脂

树脂浸渍的一个优点是可以使用经典的化学体系(如胺基环氧树脂),这些化学体系具有熟悉的固化曲线。尽管由于其高粘度,预浸料树脂在树脂浸渍过程中不可使用,但使用带有热塑性面纱的增韧胺基环氧树脂可以匹配当前预浸料的性能(如图49所示),且其粘度适用于树脂浸渍(

总体而言,树脂的选择取决于制造方法和最终用途。树脂种类繁多,可以测试并认证多种不同的纤维/树脂系统组合,以适应特定的制造工艺。

2.4 树脂转移成型工艺相关参数

2.4.1 处理参数

RTM过程受到多个相互依赖的变量和参数的控制,这些变量和参数会影响工艺的效率以及最终产品的质量。因此,每个参数都需要仔细确定(Park & Lee, 2011)。以下是一些关键参数的概述(Hasan, 2020)。

2.4.1.1 注射压力和注射速度

注射压力决定了树脂进入模具的注射速度、液压压力和模具的闭合力。因此,注射速度决定了填充时间。填充时间不应过短,以确保纤维能够得到充分的浸渍;同时,填充速度也不能在模具完全填充之前减慢到凝胶化点。注射压力还调节了树脂在预成型体上的分布,这将直接影响基体中的气孔形成、外观和最终产品的机械性能。

另一个相关现象是所谓的“纤维清洗”,即在注射阶段,树脂注入时纤维在模具内的运动,这高度依赖于注射压力。在这种情况下,纤维的表面处理和粘合剂的选择起着关键作用。如果粘合剂在与树脂接触时溶解得太快,则在注射压力作用下,纤维可能会在模具内自由移动(Laurenzi & Marchetti, 2012)。

2.4.1.2 温度

温度是一个极其重要的工艺参数,且由于注射压力、树脂粘度和固化动力学之间的关系,需要严格控制。当温度升高时,填充时间缩短,所需的工作压力降低;而当温度降低时,树脂的粘度增加,需要提高压力以确保树脂能够完全湿润预成型体(Laurenzi & Marchetti, 2012)。固化系统的固化过程也受到温度的影响:如果温度升高过快或达到较高温度以减少循环时间,可能会导致树脂过早凝胶,从而引起模具填充不完全(Laurenzi & Marchetti, 2012)。随着对固化时间较短、固化温度较低的树脂需求的增加,这一问题变得更加突出,因为这需要更多反应性强的树脂系统。目前使用的树脂系统在大约93°C时注入,并在约177-182°C下固化,这与固化温度有安全距离。然而,已有固化温度为121°C的树脂系统,它们可能会导致过早的凝胶化。

2.4.2 产品参数

2.4.2.1 纤维体积分数

确保最佳的体积分数(即纤维体积分数,FVF)对于生产具有所需机械性能的复合材料至关重要(Endruweit, Gommer, & Long, 2013)。RTM工艺由于核心与模腔之间的设定公差,可以实现高度可重复的FVF。

2.4.2.2 孔隙

由于编织布的复杂多孔结构,流动前沿的进展通常较为复杂。此外,树脂入口位置不当也会导致孔隙形成。孔隙可以分为两类:球形孔隙和圆柱形孔隙。球形孔隙通常位于纤维丝束之间,而圆柱形孔隙则出现在束内各个单纤维之间(Park & Lee, 2011)。孔隙的形成和生长会导致冲击抗力、刚度和疲劳寿命的降低,最终导致部件的灾难性失效(Matsuzaki, Seto, Todoroki, & Mizutani, 2014)。

未完待续!

来源:老周的科学课堂

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