树脂基复合材料低成本制造-原位固化技术发展及展望复习过程.doc

树脂基复合材料低成本制造-原位固化技术发展及展望精品文档树脂基复合材料低成本制造-原位固化技术发展及展望迪力穆拉提阿卜力孜 段玉岗 李涤尘西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安，710049摘 要：随着树脂基复合材料应用领域的扩大和使用比重的增加，发展高度自动化的低成本制造技术成为研究热点。本文介绍了集成复合材料自动化的成型方式和新型固化方式为一体的复合材料低成本制造技术-复合材料原位固化成型技术的发展。并就各种固化方式，如：高频电磁波，热，微波，紫外光和电子束等在该工艺上的可行性做了概述，总结了各自的优缺点及存在的问题，为其以后的发展方向做了展望。关键词： 复合材料；低成本制造；原位固化；纤维铺放中图分类号：TH39；TB332 The UV in-situ curing composite manufacturing based on UV-LED Dilmurat Abliz Duan yugang Li dichen State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xian Jiaotong University, Xian 710049Abstract：Composite curing methods existing nowadays and newly emerged have been introduced, and their feasibility for the composites in-situ curing method is outlined integrating with composite in-situ curing method, which has emerged as composites low cost manufacturing method. For example: high frequency electromagnetic wave, heat, microwave, ultraviolet radiation and electron beam in-situ curing. Furthermore, their main pros and cons are summarized and authors preview towards future development is put forward.Key words：composites; low-cost manufacturing; in-situ curing; fiber placement0 引 言收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 复合材料因具有高比模量，高比强度，可设计性强，抗疲劳性能和耐腐蚀性能好等优异的性能，在航空航天，运输交通，航海等领域的应用越来越广泛1-4。在航空上，从20世纪70年代开始应用到飞机结构上开始，经过几个阶段的发展复合材料在飞机结构上的应用已经实现了从非承力，次承力构件到尾翼再到机翼与机身主承力构件的应用5。最新的波音B787飞机复合材料用量占结构重量的50%，而计划中的空客A350飞机上将复合材料的用量提高到52%。复合材料的应用可使飞机结构减重10%-40%，结构设计成本降低15%-30%，不仅提高了飞机燃油效率降低了成本，而且污染物排放量也大大降低6, 7。飞机结构复合材料的用量多少和结构重量占比已成为衡量飞机整体水平的重要指标。此外，复合材料在船舶，汽车等行业的应用也很广泛。随着复合材料的应用领域的扩大和使用比重的增加，为了降低复合材料制造成本，国内外相继出现了纤维自动铺放技术（包括自动铺带技术和自动铺丝技术），液体成型技术（包括RTM，VARTM，VARI，SCRIMP和RFI等技术），低温固化技术等低成本制造技术8, 9。固化作为复合材料构件最终成型必要的工序之一，对复合材料最终性能和其制造成本起着至关重要的作用。现阶段复合材料构件比较成熟的固化方式是热固化。但传统的基于热压灌，热压机等的热固化方式存在诸多缺点，比如：能耗高，成型时间长，固化过程难以控制；成型零件因热效应，残余变形和残余应力大；尤其是对于大尺寸和厚，形状复杂的复合材料构件，不可避免的热梯度会引起固化不均匀和不完全；对预成型件模具要求很高，要采用比较昂贵的INVAR合金制造10；此外，复合材料构件大小受热压灌容积限制，而热压罐设备成本很高，技术条件复杂，因此制造灵活性差，前期投资巨大等11。因此，为了实现复合材料构件固化“无热压灌化”，相继出现了用-射线，X-射线，紫外光，微波和电子束等新型树脂基复合材料辐射固化方式。下图1为用于波音787机身段固化的热压罐。图1. 用于波音787机身段固化的热压罐原位固化技术正是在这种背景下发展起来的一种新型复合材料低成本制造技术之一。其以上世纪80年代出现并蓬勃发展的快速成型制造方法为原型：零件在一层一层增材的同时，使其逐步的固化成型而得到最终产品。后来，由于这种方法固有的优点，相继应用到复合材料制造行业上。复合材料原位固化工艺是指：复合材料在一层一层预成型阶段，引入相应的固化源，使最上面几层跟着固化。它结合预成型和固化工艺为一体，使零件铺放成型的同时固化也会完成。原位固化工艺能很好的跟纤维铺放，纤维缠绕，拉挤成型和液体成型等工艺结合，能大大降低复合材料制造成本，在尺寸大和厚的复合材料零件制造中的优势突出。下图2为原位固化跟纤维铺放技术结合的工作原理。 图2. 纤维铺放原位固化工艺示意图此工艺本质上是把一次整体固化分解成多次，分段固化，所以需要材料固化工艺等相关的理论支撑。此外，因为结合了预成型工艺，其对成型材料和固化源等提出了一些特殊要求：保证固化速度快，能固化完整，而且使用性能满足要求等。本文旨在介绍上述几种新型复合材料固化方式的同时，重点围绕原位固化工艺介绍了各种固化方式的可行性，存在的优缺点，现阶段发展情况，对其以后的发展方向进行了展望。1. 高频电磁波原位固化辐射固化的基本原理可以总结为树脂基体收到辐照以后会产生离子或自由基中间产物，进一步引起树脂交联反应12, 13 。辐射固化相比传统热固化具有低温快速固化，污染少，能耗低，树脂材料易于保存等优点。高频电磁波固化虽然是辐射固化技术的一种，但固化机理跟紫外光、微波、红外光、激光等的辐射固化机理有所不同：紫外光、微波、红外光、激光等的辐射固化是利用光的波动性产生激发分子，且波长越短，穿透力越强，固化效果越好。但电子束、X-射线、-射线等对聚合物的辐射固化是利用光的粒子性，不仅产生激发分子，而且还产生电离14。用-射线，X-射线等高频电磁波和电子束辐射固化20世纪70代末由法国AEROSPATIALE 公司15进行研究。他们通过进行固化实验总结出：-射线，X-射线剂量率低，因此固化所需要的时间比较长。其中X-射线固化复合材料所需要的时间相比同样的材料电子束固化所需时间60倍还长；生成高频电磁波需要比较高的成本而且会产生一些难以处理的物质16；此外，它们的辐射对人体带来严重的危害，其高穿透能力大大的增加了屏蔽成本。因此，高频电磁波在固化厚度比较大的零件领域具有独特的优势15, 17 ，但是用高频电磁波实现复合材料原位固化制造工艺没有得到相应的发展。下图3所示，10Mev能量的电子束通常能处理25mm左右的复合材料，但其转化成同等能量的X-射线以后的处理深度就能达到300mm左右15, 18 。图3. 10Mev能量的电子束和X-射线穿透深度比较15 2. 原位热固化热固化工艺是到现在为止最为成熟的复合材料固化工艺，因此相应的热固化材料体系已相当成熟，已经被大量的用于航空行业。如果在现有成熟的热固性材料体系上能实现原位热固化，将会是最快而且最简便的方法之一。这会也会省去新材料开发成本和随着新材料对行业的进入而要进行的广泛的性能测试成本。因此，Boll 等19提出并探讨了热固性树脂预浸带原位固化铺放工艺：首先对树脂进行预热使其达到特定固化程度，对该预热以后的纤维带进行铺放，在辊压的同时提供额外的热源使其进一步固化。但该工艺固化过程分几段进行，各部分相应的温度及固化程度很难控制，通过预热以后的预浸带会变软，这对设备输送系统和铺放工艺都带来了比较的挑战。此外，由于复合材料本身对热辐射和热传递不敏感，热量传播速度比较慢，该原位固化工艺还是很难能使预浸带达到完全固化，因此还是需要额外的热后处理工序。因此，作者除此之外也没看到更多关于热固性树脂基预浸带原位固化铺放相关的研究进展。鉴于此，很多学者意识到热固性树脂基复合材料原位热固化工艺实现比较困难，因此Ahrens 等20比较早的提出并研究了基于机器人的热塑性预浸带原位固化铺放工艺。Heider21，Sonmez22，Parlevliet23-25，Khan26 和Schledjewski27, 28等相继对热塑性复合材料工艺进行了相关研究，提出通过选择合理的工艺参数，完全可以实现热塑性复合材料的原位固化成型。但是，热塑性树脂基复合材料固有的容易热变形，刚性差，处理温度和压力大等缺点，一直难以满足航空航天使用材料的要求29。近年来热塑性树脂基复合材料的发展速度已大大超过热固性树脂基复合材料。热塑性树脂基复合材料已成功的应用在空客A340-600 机翼前缘等辅助结构和飞机内部构件等部分30 。然而，热塑性复合材料要应用到更重要的航空结构件需要从材料，成型工艺，综合性能和制造成本等方面进行进一步研究。图4. 用碳纤维/聚醚醚酮材料铺放并原位固化大型平板复合材料零件313. 原位微波固化复合材料微波固化机理其实就是热固化，但其独特之处在于微波加热机制独立于材料的热传导系数：它是一种被加热物体在电磁场中由于介质损耗引起的“体加热”方式32。热传导中，热能因为存在热梯度而转移，而微波加热是直接发射到材料的电磁波能对热能的转换。因此相比传统热源由表及里的传导式，微波具有加热均匀，效率高，固化速度快和便于控制等优点。但是，微波加热效率跟材料的介电性能有很大关系。单层纤维增强复合材料的介电性能是各项异性的，而且不同方向的单层板叠加而成的层合板内部会出现介电性能的不连续。这都引起了电磁场在复合材料内部的分布是很复杂的。因为玻璃纤维是透明的，因此玻璃纤维增强复合材料主要介电性能取决于树脂，因此微波能很好的用在玻璃纤维增强复合材料固化上面。根据Boey等33, 34 的研究，微波固化以后的玻璃纤维增强复合材料强度和刚度跟传统热固化相当甚至更好。但是，由于碳纤维介电损耗系数小，导电导热率高，用微波对碳纤维复合材料进行加热存在一些特殊的问题。Lee 和 Springer35, 36 比较早的研究了微波用在纤维增强复合材料固化工艺 ，通过数学模型和实验验证得到的结论是：单向碳纤维增强环氧复合材料固化效率决定于极化角，90角时达到最大固化效果；因为碳纤维特殊的介电损耗系数小，所以前几层碳纤维增强单层板会把很大一部分微波能反射回去，因此微波只适合厚度薄的单向碳纤维复合材料的固化，不能对多取向碳纤维复合材料进行有效的固化。此外，由于碳纤维的高导电性能，会引起局部热量集中和电弧等问题，所以合理的微波功率和加热方式的选择也至关重要37。Nightingale 等38通过微波炉对正交多层层合板进行固化，通过实验同样发现虽然微波固化碳纤维复合材料空隙率比较大，但层间强度跟热压灌固化得到的构件一样，甚至更好。这是因为当用微波加热纤维复合材料时，其首先跟介电损耗大的材料耦合，热量再从其界面传给另外一种材料。因此可以认为固化反应时从两者表面开始进行的。因此他们结合表面显示出更好的性能38-40 。众所周知，纤维复合材料中主要承担力的是纤维，而纤维和树脂结合面起到力的传递作用，因此其结合强度很重要。而微波辐射能改善纤维与基体之间的界面性能，增强粘合效果，能比较有效的解决此问题。上述原因正好给碳纤维复合材料原位固化工艺提供了良好的可能性。Arthur 等41首次研制了相应的开口微波设备，有效地避免了电弧等现象的出现和微波辐射屏蔽等问题，实现了纤维铺放微波原位固化工艺。结果显示，通过该微波设备，五分钟固化得到的碳纤维复合材料层间剪切强度几乎跟热压灌固化得到的一样。此外，微波在拉挤成型42 ，树脂传递模塑成型43 等领域也显示了良好的使用前景。这些研究表明，微波辐射固化明显降低了固化时间，很好的表明微波辐射跟其他成型工艺结合，作为主热源或者辅助热源都是比较好的选择。图5. Arthur等使用的微波原位固化铺放原理示意图国内北京装甲兵工程学院和南京航天航空大学等院校也相继开发了微波发射设备和相应的树脂，利用微波加热的优点通过对复合材料补片进行加热固化，对装备零部件进行现场，快速抢修。结果显示修复后零件的静强度恢复率达到90%左右44, 45。图6. 北京装甲兵工程学院开发的微波设备正用于快速抢修454. 原位紫外光固化光固化属于辐射固化最常见的一类，其反应机理是紫外光辐射引起光引发剂分解出离子或自由基，并引发聚合。紫外光固化方式因为具有低温快速固化，污染小，能耗低及使用成本低等优点广泛的应用在涂层和薄膜固化等领域46, 47 。但是，因为紫外光的穿透能力有限，而且只能固化透明的材料。DECKER和Yuan等48, 49比较早的通过紫外光实现了玻璃纤维复合材料的固化。紫外光固化可以很好的跟玻璃纤维缠绕，拉挤成型和真空辅助树脂传递模塑成型等工艺结合50 。但是，由于受到固化深度限制，复合材料的力学性能随着其厚度的增加逐渐降低。图7. 用UV-VARTM 方法制造船体零件51 鉴于此，西安交通大学利用紫外光成功实现了玻璃纤维复合材料原位固化缠绕和铺放成型工艺。此工艺成功结合了紫外光固化速度快，成本低，环保等优点，又克服了其穿透深度带来的缺陷52 。图8. 通过紫外光原位固化成型得到的零件通过紫外光原位固化工艺制造玻璃纤维复合材料构件成本低，速度快，也不需要像其他的辐射加工一样进行屏蔽，更易于制造大型复合材料构件。其对风电叶片，船身，坦克等大型结构件的低成本制造具有良好的应用前景。5. 原位电子束固化电子束固化作为辐射固化的一种，其具有材料容易保存，常温快速固化，构件残余应力低，成型过程能耗以及模具大大降低等优点53, 54 ，自从法国AEROSPATIALE 公司15首次将电子束应用到航空复合材料固化工艺以后，其应用迅速在北美和欧洲等55, 56发达国家得到了迅速发展，并成功通过高能电子束固化成型的复合材料应用在航空，航天等领域。 图9. 飞机舱壁部分用高能电子束(10Mev)固化55图10. 纤维铺放并电子束固化成型的飞机下翼57为了降低高能电子束带来的高制造和维护成本，不久就出现了低能电子束原位固化跟各种制造工艺结合。低能电子束原位固化制造方法最初是由CIRRI 等58 提出。此后，相继Guasti 等59 通过低能电子束结合纤维缠绕工艺，实现了厚复合材料构件的固化成型。Yen等60 提出低能电子束原位固化跟纤维铺放结合，紧接着Goodman和Bykanov等61, 62 开发了相应的低能电子束发射设备，并结合纤维铺放进行了初步的低能电子束原位固化工艺研究。研究结果表明：低能电子束固化结合纤维铺放工艺确实表现出诸多优点，但存在的主要问题是：1.因为常温，快速固化导致固化成型以后的复合材料构件层间强度比较低。2. 电子束低温固化得到的树脂玻璃化温度比较低(6080)。这些问题都需要对复合材料零件进行适当的热后处理才能比较好的解决。图11. 纤维缠绕逐层电子束固化工艺59图12. NASA Marshall实验室开发的电子束原位固化纤维铺放装置636. 发展趋势复合材料原位固化技术作为一种重要的复合材料低成本制造技术亟待进一步研究。从现阶段研究现状来看，未来的研究需要重点从以下几点开展：1）复合材料/树脂体系。为了实现低成本制造工艺，需要从文章所提到的热固/热塑性复合材料改性到开发紫外光以及电子束固化相应的树脂体系进行一系列材料方面研究，并使其使用性能尽快达到所需行业标准。2）各种固化源设备的研发。无论是从原位热，微波，紫外光还是电子束固化都需要开发相应的固化源发射装置。其中值得一提的是国内适用于原位固化工艺的低能量微波和电子束发射设备方面的研究比较落后。3）基础工艺研究。复合材料构件低成本制造瓶颈在于基础成型工艺。工艺研究在原位固化工艺上表现得更突出：原位固化工艺集成了预成型和固化工艺，但又有其区别于这两者的特殊之处。从材料体系改善，固化方式的选取到该工艺的最终实现最终都落到基础工艺研究。因此要善于从材料改性，不同固化方式之间的合理结合等方面综合考虑各项因素，用复合材料原位固化工艺制造出性能良好的复合材料构件。致谢：References: 1 杜善义, Shanyi D U. 先进复合材料与航空航天J. 复合材料学报. 2007, 24(1). 2 黄汉生. 复合材料在飞机和汽车上的应用动向(一)J. 高科技纤维与应用. 2004, 29(5). 3 黄汉生. 复合材料在飞机和汽车上的应用动向(二)J. 高科技纤维与应用. 2004, 29(6). 4 Kimpara I. Use of advanced composite materials in marine vehiclesJ. 1991, 4(2): 117-127. 5 冯军, Jun F. 复合材料技术在当代飞机结构上的应用J. 航空制造技术. 2009, (22). 6 黄领才, 刘秀芝. 现代大飞机复合材料应用与制造技术浅析J. 航空制造技术. 2008, (10). 7 Griffiths B. Boeing sets pace for composite usage in large civil aircraft J. 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