VARI成型技術(shù)制造泡沫夾芯復(fù)合材料制件技術(shù)研究

白婭萍 杜鵬飛 蘇霞 王卓(航空工業(yè)西安飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089)

0 引言

復(fù)合材料在飛機上的用量是體現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)先進性的標(biāo)志，也是大幅提高飛機性能的重要保證[1]。基體、增強體和界面，是構(gòu)成復(fù)合材料的三要素，也是進行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能分析、發(fā)展應(yīng)用的指標(biāo)。按照基體的不同，復(fù)合材料可分為聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。其中，聚合物基復(fù)合材料20世紀(jì)70年代即應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)，隨著工藝技術(shù)進步，先進復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展[2]。

隨著用量不斷增加，目前主流的預(yù)浸料/熱壓罐復(fù)合材料制造技術(shù)，工藝流程復(fù)雜，設(shè)備投資、運營成本居高不下，低成本成型復(fù)合材料成為當(dāng)前行業(yè)研究熱點。低成本成型技術(shù)當(dāng)前發(fā)展的主流是液體成型技術(shù)。液體成型技術(shù)是指液態(tài)樹脂在壓力作用下，在封閉模腔內(nèi)流動、滲透纖維預(yù)成體的一種工藝方法，適用于大型加筋、夾芯、預(yù)埋、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成型。液體成型復(fù)合材料制件接近于凈尺寸，結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于除機翼主承力翼面、機身主承力筒體外的復(fù)雜、次承力整體結(jié)構(gòu)成型。復(fù)合材料液體成型主要以RTM(Rtm Transfer Molding)、VARI(Vacuum Assisted Resin Infusion)和RFI(Resin Film Infusion)技術(shù)為代表。

1 VARI成型工藝

VARI成型技術(shù)作為一種高性能、低成本的非熱壓罐成型技術(shù)在航空航天領(lǐng)域受到廣泛重視，它是在真空下排除纖維增強體中的氣體，通過樹脂的流動、滲透，實現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在室溫下或加熱條件下固化成型，形成一定樹脂、纖維比例的工藝方法[3]。作為一種先進的液體成型工藝，VARI具有以下特點，如表1所示。

表1 VARI成型工藝特點

2 泡沫夾芯復(fù)合材料

在航空領(lǐng)域，滿足構(gòu)件彎曲剛度和強度的前提下，需盡量減輕設(shè)計重量，夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強的特點，優(yōu)異的力學(xué)性能，取得了廣泛應(yīng)用。夾芯復(fù)合材料制件類似于三明治結(jié)構(gòu)，夾層結(jié)構(gòu)通常采用先進復(fù)合材料做面板，蜂窩或泡沫芯材等輕質(zhì)材料作為夾芯材料。其中蜂窩芯材又分為鋁制金屬蜂窩和紙蜂窩，泡沫芯材以聚甲基丙烯酰亞胺閉孔剛性泡沫塑料即PMI(Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亞胺)泡沫為主。

德固賽公司是目前世界上PMI泡沫系列材料主要廠商。作為航空材料的WF型PMI泡沫是一均勻剛性閉孔泡沫，孔隙大小基本一致，共固化溫度壓力可達180℃/0.7MPa，具有很好的壓縮蠕變性能，作為夾層結(jié)構(gòu)泡沫芯材已在各飛機結(jié)構(gòu)中成應(yīng)用，如A340-500/600選擇ROHACELL泡沫加強氣密機艙的承壓框。

國產(chǎn)的浙江中科恒泰新材科技有限公司生產(chǎn)的Cascell?泡沫，是100%閉孔、剛性的聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫。Cascell?泡沫不僅適用于熱壓罐工藝，在RTM、VARI等液體成型復(fù)合材料領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。良好的工藝性確保了復(fù)合材料制件的優(yōu)越性能，同時降低了成本[4]。

3 VARI成型技術(shù)制造泡沫夾芯復(fù)合材料工藝難點分析

圖1為使用VARI技術(shù)制造泡沫夾芯復(fù)合材料工藝流程簡圖，以柔性真空袋薄膜密封預(yù)成型體，包覆在單面剛性模具上，借助真空負壓，排除模腔內(nèi)的氣體，并使樹脂流動、滲透，實現(xiàn)對預(yù)制體的浸潤，在烘箱或固化爐中升溫固化成型。制造過程涉及泡沫芯材二次加工、纖維增強體鋪放、預(yù)制體編織縫紉、樹脂粘度溫度窗口優(yōu)化、樹脂流動控制等難點。

圖1 VARI工藝制造泡沫夾芯復(fù)合材料工藝流程簡圖

3.1 預(yù)成型體制備

制備預(yù)成型體包括干態(tài)纖維鋪貼、編織縫合兩大類。干態(tài)纖維鋪貼預(yù)成型體，是將干態(tài)纖維逐層鋪貼到模具上，鋪貼過程中需要預(yù)定型。主要難點是保證纖維方向的準(zhǔn)確性和預(yù)制體穩(wěn)固性。與熱壓罐工藝鋪貼預(yù)浸料不同，通用的單向干態(tài)纖維布沒有粘性，在鋪貼、移動、縫合和模具組合時，極易發(fā)生變形。可在纖維織物表面噴涂與樹脂相匹配的定型劑以提高鋪貼工藝性，也可使用激光投影等輔助設(shè)備精確定位，鋪貼后對預(yù)制體抽真空，以提高預(yù)制體密實度。

3.2 樹脂流動控制

VARI成型的制件，避免出現(xiàn)白斑、分層、薄厚不均等質(zhì)量問題的必要條件是樹脂對纖維預(yù)制體充分浸潤。實際應(yīng)用中制件向結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大尺寸發(fā)展，導(dǎo)致流道設(shè)計難度大，樹脂流動不易控制，從而樹脂對纖維的浸潤性差。對于泡沫夾芯復(fù)合材料，樹脂在泡沫夾芯復(fù)合材料纖維預(yù)制體中流動復(fù)雜，導(dǎo)流網(wǎng)區(qū)域、泡沫夾芯與面板層之間、泡沫夾芯和纖維增強區(qū)域的滲透特性各不相同且互相交織。實際投產(chǎn)前，雖可使用PAM-RTM等軟件仿真模擬，但樹脂實際流動特性仍難以精確預(yù)測。因此，對樹脂流動特性在樹脂吸注、浸漬進行預(yù)測分析及有效控制成為難點。

3.3 泡沫夾芯界面質(zhì)量

機械加工會導(dǎo)致閉孔的PMI泡沫芯材表面產(chǎn)生大量大小不一的開放性泡孔。泡沫芯表面的開放性泡孔具有高滲透性。若不進行工藝控制，低粘度樹脂很難將具有高滲透性的泡沫芯與纖維增強面板間隙完全填充，亦無法保證纖維增強體面板與泡沫界面性能。主流方法是如圖2所示直接對泡沫芯材表面進行處理，即泡沫開槽或開孔，或使用泡沫和織物縫合等方法。方法的共同特點是提高樹脂與泡沫的接觸表面從而提高粘接質(zhì)量。制約泡沫芯材的發(fā)展瓶頸為其Z向性能差泡沫夾芯/縫合等Z向增強技術(shù)，可顯著提高泡沫夾芯復(fù)合材料的界面性能和抗沖擊性能[5]，擴展了泡沫夾芯復(fù)合材料在航空領(lǐng)用的應(yīng)用。

圖2 PMI泡沫表面開孔或開槽示意

4 VARI成型泡沫夾芯復(fù)合材料在航空器中的應(yīng)用

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在航空器中主要應(yīng)用在非承力結(jié)構(gòu)件，主要應(yīng)用部件有：起落架艙門、雷達罩、地板、發(fā)動機短艙，襟翼、副翼、升降舵、擾流板等。主要應(yīng)用設(shè)計形式有：全高度夾層結(jié)構(gòu)、蒙皮夾層結(jié)構(gòu)和泡沫填充帽形加筋結(jié)構(gòu)。VARI成型工藝適用于制造室溫和中溫成型的特大型復(fù)合材料構(gòu)件[6]。在航天和國防領(lǐng)域，VARI廣泛應(yīng)用于大飛機的蒙皮，飛機翼梁等。A400M上貨艙門是VARI成型的尺寸最大復(fù)合材料制件。該制件長7m，寬4m，由艙門加筋外壁板、側(cè)壁板、橫向梁和加筋內(nèi)壁板組成。外壁板尺寸最大，其內(nèi)側(cè)帶16根縱向加強筋。內(nèi)壁板處于艙門內(nèi)側(cè)的中間位置，呈窄長形。加筋壁板為碳纖維織物增強的環(huán)氧數(shù)值基體復(fù)合材料，VARI成型技術(shù)整體制造內(nèi)外加筋壁板。顯著縮小了生產(chǎn)周期、減少了數(shù)以千計的緊固件，降低了制造成本，減輕了制件重量。C-17起落架艙門采用縫合/VARI整體成型。

國內(nèi)目前使用VARI成型技術(shù)主要集中在次承力結(jié)構(gòu)試制，如某研究院采用VARI成型技術(shù)研發(fā)了縫合加筋壁板復(fù)合材料構(gòu)件。某大型民機制造企業(yè)采用VARI成型技術(shù)，成功研制5.5m級夾芯結(jié)構(gòu)壁板試驗件。

5 結(jié)語

復(fù)合材料先進液體成型技術(shù)具有突出的技術(shù)優(yōu)勢，在航空復(fù)合材料制造方面取得了重大進展，但也面臨適航驗證難度大等發(fā)展瓶頸。隨著國內(nèi)復(fù)合材料制造技術(shù)發(fā)展，自動化預(yù)成型體技術(shù)、注膠仿真分析技術(shù)等不斷優(yōu)化，VARI等低成本液體成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍將不斷拓展。