新型先進復合材料頭盔殼體研制

劉于思

航宇救生裝備有限公司 湖北 襄陽 441003

1 先進復合材料概述

復合材料由基體材料和增強材料兩部分組成，可以發揮各組成材料的優點，避其弱點，還可形成單一材料本身所沒有的性能。先進復合材料專指可用于加工主承力結構和次承力結構，其剛度和強度性能相當于或超過鋁合金的復合材料。

1.1 增強體與基體

先進復合材料的基體相與增強體相在宏觀水平下相互結合且互不相溶。先進復合材料的基體種類包括高分子合成樹脂、金屬、陶瓷和碳，當今從技術成熟程度和應用范圍看，以樹脂基復合材料最為突出[1]。

1.2 樹脂基復合材料的特點

樹脂基復合材料具有很多優點，主要表現在：

1.2.1 高的比強度和比模量。

1.2.2 良好的抗疲勞特性。纖維復合材料中存在著無數的纖維/樹脂界面，能阻止裂紋的進一步擴展，推遲疲勞破壞的發生。這類材料即使產生疲勞破壞事先也有明顯的預兆。纖維復合材料的拉/壓疲勞極限值能達到靜載荷的70%-80%，而大多數金屬材料的疲勞極限只有其靜強度的40%-50%。

1.2.3 易于大面積成型。對于批量生產而言，當工藝規范確定后，復合材料構件的制作較為簡單。并且可以根據構件的要求選擇各種不同的成型方法。

1.3 先進復合材料的應用

基于上述特點和優點，自1967年問世以來，先進復合材料一直受到對重量、性能要求苛刻的航空航天界的關注與重視。比如，美國空軍未來30年的主力戰斗機F-22結構重量的25%采用碳纖維復合材料，幾乎覆蓋了飛機全部外表面。

2 復合材料成型工藝對比分析

就本文所涉及的兩種成型工藝方法：手糊模壓成型法和預浸料熱壓罐成型法，簡要對比二者優缺點。

2.1 手糊模壓成型法

是在金屬或膠木對模上涂刷脫模劑，然后手工鋪覆增強材料，并逐層涂刷基體樹脂，鋪層至規定厚度后合模并加壓，待樹脂固化后去掉模具得到產品的一種工藝方法。

2.2 預浸料熱壓罐成型法

是使用復合材料預浸料在模具上做出毛坯，然后用真空袋密封在模具上，置于熱壓罐中，一般在真空狀態下，經歷升溫、加壓、保溫、降溫和卸壓過程，得到所需要形狀和質量狀態的制件[2]。

3 新型復合材料頭盔的研制

3.1 原有工藝的問題

根據以往的經驗，原有工藝主要有厚度不均勻、物理性能差、超重等問題。

3.2 新工藝的研究

為了解決上述問題，為了做出質量優良、性能過關、厚度均勻的頭盔產品，考慮到近幾年來發展較快的預浸料熱壓罐成型工藝可以很好地控制產品重量及厚度均勻性，故進行熱壓罐制作新型復合材料頭盔的嘗試。

3.2.1 模具方案。模具材料選用剛性大、高溫高壓不易變形、使用壽命長的不銹鋼。

預浸料熱壓罐成型工藝的陰模在曲面上由于有閉斜角，限制了使用范圍，但是可以得到外形面很好的制件。陰模可以滿足外表面的較高要求，還可以將模具設計為左右兩半，脫模時相對容易。

3.2.2 具體操作。預浸料鋪貼以某型頭盔為例，總體厚度要求0.8mm，經計算，總體鋪貼4層預浸料即可。

4 試驗數據

4.1 厚度

用預浸料熱壓罐成型和手糊模壓兩種工藝分別制作兩塊同樣大小的試驗板（400mm×400mm）。其中熱壓罐成型預浸料采用兩種交替鋪貼8層,手糊模壓采用芳綸纖維，要求厚度為2.0mm，對比可以發現，預浸料熱壓罐成型工藝做出的試驗板厚度均勻性比手糊工藝好很多。

4.2 重量

隨機選取了不同工藝制成的幾個頭盔樣件，在同一臺電子秤上進行重量測量，預浸料熱壓罐工藝制成的頭盔平均重在140g左右，完全滿足不大于150g的設計要求。而手糊成型工藝的頭盔重量為200g左右，明顯超重。

4.3 力學性能

兩種工藝制成相同試片，彎曲強度與剪切強度的對比見下表。

表1 兩種工藝的剪切強度對比

以上數據說明，新型先進復合材料頭盔工藝方法正確、工藝路線可行，產品的物理性能穩定，滿足設計要求，可以進行工藝鑒定并轉入批量生產。

5 結束語

此新型先進復合材料頭盔是在多年的設計、生產、試驗的基礎上進行的又一次革新，克服了各種困難，從設計到工藝定型過程中，經歷了多次更改、創新，試驗件經過試制、改進，外觀、重量、各項力學性均能滿足技術指標的要求，驗證現有的工藝技術方案無論在性能上還是在結構上是比較先進的，技術措施是可行的。并且從研制開始就貫徹通用化的宗旨，所以完全有可能向不同型號系列發展的目標。