航空用热压罐外固化预浸料复合材料的应用

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1、航空用热压罐外固化预浸料复合材料的应用发布时间：2012-10-1813:06:25    目前，航空结构用复合材料主要采用预浸料和热压罐固化工艺制造。尽管热压罐成型工艺制备的复合材料性能优异、质量稳定可靠，但其高昂的工艺成本一直被人诟病[1]，热压罐设备成本比相同容积的烘箱高10~100万英镑。另外，高压固化增加了芯材塌陷和真空袋破裂的风险；零件尺寸受到热压罐尺寸的限制，不利于大型整体化零件的成型[2]。因此，热压罐外固化（主要是指烘箱固化）预浸料成型技术应运而生。    热压罐外固化预浸料（Out-of-AutoclavePrepreg），也叫

2、非热压罐固化预浸料（Non-AutoclavePrepreg或Vacuum-Bag-Only-CurablePrepregs），最早于20世纪90年代提出，此后欧洲和美国投入了大量精力用于研究热压罐外固化预浸料复合材料技术，一些支持项目如：欧洲的CASCADE（CivilAircraftStructuralCompositesApplication,DevelopmentandExploitation）、EFFICOMP（LowTemperatureCureCostEffectiveCompositeMaterialsforAircraftStru

3、ctureusingOutofAutoclaveProcessing）、ALCAS（AdvancedLowCostAircraftStructure）、NGCW（NextGenerationCompositeWing）和美国的LCS（LightweightCompositeStructures）[3-4]。    相对于传统的热压罐固化预浸料体系，热压罐外固化预浸料体系在烘箱内即可加热固化，大大节省了设备费用；而且采用烘箱固化时，固化工艺制度简单，只需要控制温度和真空度水平（一般热压罐外固化预浸料固化过程中都采用满真空）；烘箱的形状和尺寸更容易按零

4、件大小要求定制，适合大型零件整体化成型。因此，低成本的热压罐外固化预浸料复合材料技术在最近10年得到了快速发展。热压罐外固化预浸料的特点    航空结构用复合材料采用热压罐固化的主要作用是限制层合板内的孔隙量，对于主承力结构件，孔隙含量应低于1%；对于次承力结构件，孔隙含量应低于2%。热压罐的高压作用可以使铺层内的残余空气和其他挥发性成分塌陷或溶解在树脂中，从而降低孔隙含量[5]。对于热压罐外固化预浸料，固化过程中只能采用真空袋施加一个大气压。若传统的热压罐固化预浸料体系在热压罐外（如烘箱）固化时，固化后层合板内孔隙含量可高达5%~10%[6]。因

5、此，开发热压罐外固化预浸料体系面临的首要挑战就是如何在一个大气压的工艺压力下，降低复合材料的孔隙含量，以满足主承力结构件性能要求。    为降低热压罐外固化预浸料复合材料中的孔隙率，必须优化预浸料形式和黏性、树脂体系的挥发份含量、黏度和反应活性等，这也是热压罐外固化预浸料体系与传统热压罐固化预浸料的区别所在[4]。1　预浸料形式     单向预浸料存在2种形式：    （1）尽可能浸渍纤维使预浸料中干纤维的量最少；    （2）控制预浸料中的浸渍程度，既能提供足够的排气通道，又不至于使干纤维过多。前者更适合采用自动铺丝和自动铺带技术，后者更适用于手

6、工铺层。对于织物形式的预浸料，无论是采用双膜还是单膜制备，部分浸渍更有利。采用双膜制造的预浸料产品，可有意使树脂分布不平衡，以控制排气通道和黏性水平。2　预浸料黏性   不同的铺层方法对预浸料黏性程度要求不同。通常，对于自动铺丝和自动铺带，较低的黏性有助于自动化去除防粘纸和聚酯膜，并避免在压实头处裹入空气；对于手工铺层，适当的黏性则有助于复杂几何面处的铺层，防止纤维滑移。3　树脂中挥发份含量    对于袋压成型用树脂，应保证空气和挥发份含量尽可能低。因此，溶剂溶解混合技术在所有的热压罐外固化材料体系（包括胶黏剂和表面膜）中都不可用。4　树脂黏度  

7、  热压罐外固化预浸料通常被认为具有“可控流动性”。为保证其热压罐外成型成功，应仔细设计其黏度范围，包括调整黏度/温度曲线与控制凝胶点。在部分浸渍预浸料中，通常室温下黏度高于50000Pa•s时，可以采用真空预压实铺层而不至于堵住排气通道。在固化温度下要求树脂具有足够的流动性以充分浸润纤维束，为避免树脂凝胶前流胶导致层合板贫胶，其最小黏度不应低于2Pa•s，另外工艺窗口时间也非常重要。图1为ACG（AdvancedCompositesGroup）公司开发的热压罐外固化预浸料树脂体系的黏度-温度曲线，其中LTM45为适用于液态成型工艺的低温固化树脂，

8、MTM44-1、MTM45-1和XMTM47适用于预浸料的中温固化树脂。5　树脂反应活性    预浸料的外置时间（Out-