复合材料在航空航天领域的应用（第七部分）

四、主要工艺（按工艺成型方法分类）

4.1 所用主要原材料

复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是缩水甘油醚类环氧树脂，而其中又以双酚A型环氧树脂为主，双酚F型环氧树脂（DGEBF）和双酚S型环氧树脂也有大量应用。其次是缩水甘油胺类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂。其他还有酚醛环氧树脂、间苯二酚型环氧树脂、间苯二酚-甲醛型环氧树脂、四酚基乙烷型环氧树脂、三羟苯基甲烷型环氧树脂、富有柔韧性脂肪族多元醇缩水甘油醚型环氧树脂、环氧丙烯酸树脂和耐候性的脂环族环氧树脂等，其可单独或者与通用E型树脂共混，供作高性能复合材料（ACM）。

缩水甘油胺类环氧树脂的优点是多官能度、环氧当量高，交联密度大，耐热性显著提高。目前国内外已利用缩水甘油胺环氧树脂优越的粘接性和耐热性，来制造碳纤维增强的复合材料（CFRP）用于飞机二次结构材料。

国内外喷管用树脂基防热材料的发展经历大致相同，从玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛到碳/酚醛、碳/聚芳基乙炔，从单功能到多功能、低性能到高性能，树脂体系经历了从酚醛树脂、改性酚醛树脂到高性能树脂。目前对聚苯并咪唑、聚喹口恶啉、聚苯并唑、聚苯并噻唑、聚芳基乙炔等高性能树脂的应用研究已成为热点,是树脂基防热材料发展的方向。

耐高温结构复合材料用的新型热固性树脂一般指芳杂环高聚物，如聚酰亚胺、聚苯砜等，它们的耐热性比改性环氧和多官能团环氧更高，其中聚酰亚胺是目前耐热性最好、已实现工业化生产的重要品种。聚酰亚胺中的双马来酰亚胺（BMI）既具有聚酰亚胺耐高温、耐湿热、耐辐射的特点，又有类似于环氧树脂较易加工的优点。但缺点是熔点高、溶解性差、脆性大。如是成熟的第二代BMI树脂。在非常潮湿的情况下，最高连续使用温度为204.4℃，采用基复合材料的导弹经喷气式战斗机超声速冲刺后，能承受比预料更严酷的热环境。

氰酸酯树脂（CE）是二十世纪八十年代开发的一类新型树脂。主要用途有高性能印刷电路板、高性能透波结构材料（如雷达罩）、航空航天用高韧性结构复合材料。最早应用于宇航领域的商品化氰酸酯基复合材料为美国公司的R-5254C，它是碳纤维增强的CE与其它树脂的混合物。随后，一些供应CE基复合材料预浸料的公司，在CE中加入玻璃化温度高于170℃的非晶态热塑性树脂如聚碳酸酯（PC）、聚砜（PS）、聚醚砜（PES）等，使CE保持优良耐湿热性能和介电性能的同时，冲击后压缩强度（CAI）值达到240~，其使用温度与改性后的PI、BMI相当。

酚醛树脂典型的改性途径有共聚改性，包括引进氰基、硼元素、芳环有机硅，以及采用二苯醚甲醛树脂、芳烷基甲醛树脂改性等；如氰基酚醛树脂的热氧化稳定性明显提高，分解温度达440℃，1000℃下的产炭率达68%~70%。

复合材料所用各种纤维材料性能比较见表1

表1 各种纤维材料性能比较

由表1可见，仅玻璃纤维就比金属材料的比强度、比模量分别提高了540%、31%，碳纤维的提高则更为显著。据文献报道，由键能和键密度计算得出的单晶石墨理论强度高达，因此碳纤维的进一步开发潜力是十分巨大的。

据有关资料报导，航天飞行器的质量每减少1干克，就可使运载火箭减轻500千克，而一次卫星发射费用达几千万美元。高成本的因素，使得结构材料质轻，高性能显得尤为重要。处于航天航空飞行及其安全的考虑所需，作为结构材料应具有轻质高强、高可靠性和稳定性，环氧碳纤维复合材料成为不可缺少的材料。高性能环氧复合材料采用的增强材料主要是碳纤维（CF）以及CF和芳纶纤维（K-49）或高强玻璃纤维（S-GF）的混杂纤维。所用基体材料环氧树脂约占高性能复合材料树脂用量的90%左右。

4.2 零件成形技术

复合材料零件成形技术是在满足零件外形的情况下，不损伤纤维并确保它们合理地分布在基体中而不产生重大空隙的工艺方法。目前在飞机机体上采用的复合材料零件成形技术主要有以下几种。

1） 树脂转移模塑成形技术（RTM）

树脂转移模塑成形技术是一种低成本复合材料制造方法，最初主要用于飞机次承力结构件，如舱门和检查口盖。1996年美国防务预研局开展了高强度主承力构件的低成本RTM制造技术研究，从而使中小型复合材料RTM零件获得了较广泛的应用，而大型RTM件也在F-35的垂尾上应用成功。

图62 RTM成型整体尾翼

图63 采用VARTM-PB工艺制造的机翼壁板

图64 RTM工艺生产的襟翼（结构示意图）

2） 树脂膜浸渍技术（RFI）

RFI工艺是一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种低成本复合材料成形技术。该技术由于只采用传统的真空袋压成形方法，免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工，在制造出优异的制品的同时大大降低了制品的成本，目前主要应用于飞机雷达天线罩。该工艺虽然不采用热压罐固化零件，但还需要真空袋系统进行固化，而且工艺温度要求高，所以要求核心材料和工装能够承受高温。

RFI适用于大平面或不太复杂的曲面。A380的机翼后缘和后压力隔框、波音787机身的大部分隔框、GE-nx的风扇机匣都是采用RFI技术制造。RFI的关键工艺技术包括：预形件成形（三维编织及缝合等技术）、树脂流动模拟及控制、编织及缝合设备研究。

图65 RFI法制造的验证部件1

图66 RFI法制造的空客A-350后隔框1

图67 RFI法制造的空客A-350后隔框2

（未完待续）

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