樹脂基復(fù)合材料原位固化制造技術(shù)概述

迪力穆拉提·阿卜力孜，段玉崗，李滌塵，魯中良

（西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710054）

樹脂基復(fù)合材料原位固化制造技術(shù)概述

迪力穆拉提·阿卜力孜，段玉崗，李滌塵，魯中良

（西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710054）

隨著樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和使用量的增加，發(fā)展樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)化、低成本制造技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了樹脂基復(fù)合材料原位固化制造技術(shù)的概念、產(chǎn)生與意義，對(duì)目前國內(nèi)外各種樹脂基復(fù)合材料原位固化制造技術(shù)的研究作了綜述；對(duì)比分析了用γ射線、X射線、熱、微波、紫外光和電子束等固化方式進(jìn)行原位固化制造中各自優(yōu)缺點(diǎn)及存在的問題，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

原位固化；樹脂基復(fù)合材料；先進(jìn)制造；低成本；高效率

由于樹脂基復(fù)合材料具有高比模量、高比強(qiáng)度、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能和耐腐蝕性能好等特點(diǎn)，因而在航空航天、船舶、汽車和能源等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛［1－4］。例如在航空航天領(lǐng)域，從20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過幾個(gè)階段的發(fā)展樹脂基復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從非承力、次承力構(gòu)件到尾翼再到機(jī)翼與機(jī)身主承力構(gòu)件的應(yīng)用［5］。最新的波音B787飛機(jī)復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%，而計(jì)劃中的空客A350飛機(jī)更是將復(fù)合材料的用量提高到52%。復(fù)合材料的應(yīng)用可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重10%～40%，這不僅提高了飛機(jī)燃油效率，降低了成本，而且污染物排放量也明顯降低［6，7］，所以飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的用量和結(jié)構(gòu)重量占比已成為衡量飛機(jī)整體水平的重要指標(biāo)。此外，樹脂基復(fù)合材料在船舶、汽車、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)的應(yīng)用也越來越多的得到重視，使用量在逐年提高。

利用課件對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行呈現(xiàn)時(shí)，要進(jìn)行步驟化呈現(xiàn)，讓學(xué)生親歷知識(shí)形成過程，激發(fā)學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)興趣.體現(xiàn)了認(rèn)知負(fù)荷理論的分割原則.[22] 在信息爆炸的時(shí)代，教師在教學(xué)當(dāng)中往往通過各種教學(xué)輔助軟件給出一個(gè)完整的圖形，缺乏步驟化呈現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生不能很好地領(lǐng)會(huì)知識(shí)的形成過程并對(duì)問題進(jìn)行深入思考，缺乏對(duì)所學(xué)知識(shí)的深刻理解.勾股定理課件設(shè)計(jì)中，對(duì)圖形進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，采用步驟化呈現(xiàn)方式，通過圖形逐步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)代數(shù)式的理解，有助于學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)材料的組織與加工，減少外在認(rèn)知負(fù)荷.

隨著樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用逐漸發(fā)展到機(jī)身、機(jī)翼、船體和車身等大型的結(jié)構(gòu)件，其高制造成本成為約束樹脂基復(fù)合材料進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，國內(nèi)外在纖維纏繞成型、拉擠成型等基礎(chǔ)上相繼發(fā)展了纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)（包括自動(dòng)鋪帶技術(shù)和自動(dòng)鋪絲技術(shù)），液體模塑成型技術(shù)（包括RTM，VARTM，VARI，SCRIMP和RFI等）等成型工藝，以進(jìn)一步提高復(fù)合材料構(gòu)件成型質(zhì)量、降低制造成本［8，9］。固化工藝作為樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件最終成型必要的工序之一，對(duì)樹脂基復(fù)合材料最終性能和其制造成本起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)階段樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件比較成熟和主流的固化方式是熱固化，但這種傳統(tǒng)的基于熱壓罐或熱壓模等的熱固化方式隨著復(fù)合材料構(gòu)件的大型化表現(xiàn)出了一些難以克服的缺點(diǎn)，如能耗高、成型時(shí)間長、固化過程難以控制；成型零件因熱效應(yīng)，殘余變形或殘余應(yīng)力大；尤其是尺寸大和厚、形狀復(fù)雜的樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件，熱固化不可避免的熱梯度會(huì)引起固化不均勻和不完全；為了解決高溫梯度帶來的不利影響，預(yù)成型件模具必須具有很低的熱膨脹系數(shù)，因此要采用比較昂貴的INVAR合金制造［10］；此外，樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件大小受熱壓罐容積限制，而且熱壓罐設(shè)備成本很高，技術(shù)條件復(fù)雜，因此制造靈活性差、前期投資巨大等［11］。圖1為美國ASC工藝系統(tǒng)公司研發(fā)，用于波音787機(jī)身段固化的全球最大的熱壓罐，其工作面積為9m×23m。

圖1 波音787機(jī)身固化熱壓罐Fig.1 Autoclave for Boeing 787fuselage curing

為了解決樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件對(duì)熱壓罐固化的依賴而產(chǎn)生的成本高和尺寸受限制等問題，研究人員與工程界近年來探索了γ射線、X射線、紫外光、微波和電子束等新型樹脂基復(fù)合材料輻射固化方式，并試圖將這些高效、低成本固化技術(shù)與復(fù)合材料自動(dòng)化的成型技術(shù)相結(jié)合。

1 樹脂基復(fù)合材料原位固化制造技術(shù)

原位固化制造技術(shù)正是在上述背景下發(fā)展起來的一種新型樹脂基復(fù)合材料低成本制造技術(shù)之一。其原理類似于20世紀(jì)80年代出現(xiàn)并蓬勃發(fā)展的快速成型制造技術(shù)：零件在一層一層增材的同時(shí)，使其逐步地固化成型而得到最終產(chǎn)品。樹脂基復(fù)合材料原位固化制造工藝過程為：樹脂基復(fù)合材料在預(yù)成型階段，引入相應(yīng)的固化源，使正在成型的一層或幾層復(fù)合材料層在較短的時(shí)間內(nèi)固化定型，這一過程反復(fù)進(jìn)行，直到構(gòu)件制造完成。如圖2為纖維鋪放原位固化制造技術(shù)工作原理。

鑒于此，西安交通大學(xué)自主研發(fā)了基于機(jī)器人的纖維鋪放機(jī)，并利用紫外光成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料原位光固化鋪放成型工藝，如圖8所示。此工藝成功結(jié)合了紫外光固化速率快、成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了其穿透深度帶來的缺陷［52］。

圖2 纖維鋪放原位固化制造工藝示意圖Fig.2 Schematic illustration of fiber placementin－situcuring manufacturing

通過紫外光原位固化制造工藝制造玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件成本低，速度快，也不需要像其他的輻射加工一樣進(jìn)行屏蔽，更易于制造大型樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件。其對(duì)風(fēng)電葉片、船身、坦克等大型玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的低成本制造具有良好的應(yīng)用前景。

2 原位固化制造技術(shù)固化方式分類

目前，樹脂基復(fù)合材料原位固化制造技術(shù)常用的固化方式有高頻電磁波（γ射線、X射線等）、熱（紅外燈、火焰和熱氣等）、微波、紫外光和電子束等。

2.1 高頻電磁波固化

高頻電磁波固化是輻射固化的一種。輻射固化的基本原理可以總結(jié)為：樹脂基體受到輻照以后會(huì)產(chǎn)生活性離子或自由基中間產(chǎn)物，并通過這些活性物質(zhì)進(jìn)一步引起樹脂交聯(lián)反應(yīng)［12，13］。輻射固化相比傳統(tǒng)熱固化具有固化溫度低、固化速率快、污染少、能耗低、樹脂材料易于保存等優(yōu)點(diǎn)。高頻電磁波固化雖然是輻射固化技術(shù)的一種，但固化機(jī)理跟紫外光、微波、紅外光、激光等的輻射固化機(jī)理有所不同：紫外光、微波、紅外光、激光等的輻射固化是利用光的波動(dòng)性產(chǎn)生激發(fā)分子，且波長越短，穿透力越強(qiáng)，固化效果越好。但γ射線、X射線等高頻電磁波對(duì)聚合物的輻射固化是利用光的粒子性，不僅產(chǎn)生激發(fā)分子，而且還產(chǎn)生電離［14］。

電子束固化作為輻射固化的一種，其具有常溫快速固化、構(gòu)件殘余應(yīng)力低、材料容易保存、成型過程能耗小以及模具成本低等優(yōu)點(diǎn)［54，55］。自從法國AEROSPATIALE公司［15］首次將電子束應(yīng)用到航空樹脂基復(fù)合材料固化工藝以后，其應(yīng)用迅速在北美和歐洲等［56，57］發(fā)達(dá)國家得到了迅速發(fā)展，并成功將高能電子束固化成型的樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用在航空、航天等領(lǐng)域，如圖9，10所示。

圖3 10MeV能量的電子束和X射線穿透深度比較示意圖［15］Fig.3 Schematic comparison of penetration depth for 10MeV electron beam and X－ray［15］

2.2 熱（紅外燈、火焰和熱氣等）固化

我國的外語導(dǎo)游主要為入境的外國友人方便在中國的游覽而提供服務(wù)，其主要工作內(nèi)容為來華的外國游客提供語言服務(wù)和旅游向?qū)?，解決游客在行程中的食、宿、行、游、購、娛等方面的各種問題。中國已連續(xù)多年保持全球第四大入境旅游接待國地位，在入境市場的供應(yīng)鏈中，導(dǎo)游人員在其中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。然而，與日益增長的入境游客數(shù)量不相符的情況卻是我國的外語導(dǎo)游總量并不充足，存在需求大、缺口多的問題，在一定程度上影響了我國旅游產(chǎn)業(yè)的新興客源市場的開拓。

雖然熱固性樹脂基復(fù)合材料原位熱固化制造工藝實(shí)現(xiàn)比較困難，但是Ahrens等［20］提出并研究了熱塑性復(fù)合材料原位熱固化制造工藝。隨后 Heider［21］，Sonmez［22］，Parlevliet［23－25］，Khan［26］和 Schledjewski［27，28］等相繼都對(duì)熱塑性樹脂基復(fù)合材料原位固化制造工藝進(jìn)行了相關(guān)研究，并通過選擇合理的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了熱塑性樹脂基復(fù)合材料的原位固化成型，如圖4所示。然而，熱塑性樹脂基復(fù)合材料固有的易熱變形，剛性差等缺點(diǎn)，使這一項(xiàng)技術(shù)一直很難在航空航天等重要領(lǐng)域推廣應(yīng)用［29］。近年來熱塑性樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展速度已明顯超過熱固性樹脂基復(fù)合材料，性能也得到大幅度提高。熱塑性樹脂基復(fù)合材料目前已成功地應(yīng)用在空客A340－600機(jī)翼前緣等次承載結(jié)構(gòu)和飛機(jī)內(nèi)部構(gòu)件等［30］。為了將其進(jìn)一步推廣，還需要從材料、成型工藝、綜合性能和制造成本等方面進(jìn)行更為深入的研究。

式中VADC_range為A/D轉(zhuǎn)換芯片的測量范圍，Vin_range為二級(jí)放大濾波電路的輸入電壓范圍。通過選取合適的增益，可以充分的利用A/D轉(zhuǎn)換芯片的有效測量范圍，獲取更高的分辨率。

圖4 炭纖維／聚醚醚酮復(fù)合材料材料大型零件原位固化制造［31］Fig.4In－situcuring manufacturing of graphite／PEEK material large scale composite part［31］

2.3 微波固化

國內(nèi)北京裝甲兵工程學(xué)院和南京航空航天大學(xué)等院校也相繼開發(fā)了微波發(fā)射設(shè)備和相應(yīng)的樹脂，利用微波加熱的優(yōu)點(diǎn)通過對(duì)樹脂基復(fù)合材料補(bǔ)片進(jìn)行加熱固化，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備零部件進(jìn)行現(xiàn)場，快速搶修，如圖6所示。結(jié)果顯示修復(fù)后零件的靜強(qiáng)度恢復(fù)率達(dá)到90%左右［44，45］。

對(duì)于玻璃／芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由于纖維的絕緣性，復(fù)合材料介電損耗性能主要取決于樹脂，因此微波輻射能很好地適用于玻璃／芳綸纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料固化。根據(jù)Boey等［33，34］的研究，微波固化成型的玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度跟傳統(tǒng)熱固化相當(dāng)，甚至更好。但是對(duì)于炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由于炭纖維介電系數(shù)小、導(dǎo)電導(dǎo)熱率高，用微波對(duì)炭纖維樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行加熱存在一些特殊的問題。Lee和Springer［35，36］比較早的研究了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料微波固化工藝 ，通過數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)論：單向炭纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料固化效率決定于極化角，90°角時(shí)達(dá)到最大固化效果；由于炭纖維介電損耗系數(shù)小，所以前幾層炭纖維增強(qiáng)單層板會(huì)把很大一部分微波能反射回去，因此微波只適合厚度較小的單向炭纖維樹脂基復(fù)合材料的固化，不能對(duì)多取向炭纖維樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行有效的固化。此外，由于炭纖維的高導(dǎo)電性能，會(huì)引起局部熱量集中和電弧等問題，所以合理的微波功率和加熱方式的選擇也至關(guān)重要［37］。Nightingale等［38］通過微波爐對(duì)正交多層層合板進(jìn)行固化，通過實(shí)驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)雖然微波固化炭纖維樹脂基復(fù)合材料空隙率比較大，但層間強(qiáng)度跟熱壓罐固化得到的構(gòu)件一樣，甚至更好。這是因?yàn)楫?dāng)用微波加熱纖維樹脂基復(fù)合材料時(shí)，其首先跟介電損耗大的材料耦合，熱量再從其界面?zhèn)鹘o另外一種材料，從而可以認(rèn)為固化反應(yīng)時(shí)從兩者表面開始進(jìn)行的。因此他們結(jié)合表面顯示出更好的性能［38－40］。眾所周知，纖維樹脂基復(fù)合材料中主要承載材料是纖維，而纖維和樹脂結(jié)合面起到力的傳遞作用，因此其結(jié)合強(qiáng)度很大程度上決定了復(fù)合材料的最終力學(xué)性能。而微波輻射能改善纖維與基體之間的界面性能，增強(qiáng)黏合效果，可以進(jìn)一步提高復(fù)合材料力學(xué)性能。

上述原因正好給炭纖維樹脂基復(fù)合材料原位固化制造工藝提供了良好的可能性。Arthur等［41］首次研制了相應(yīng)的開口微波設(shè)備，有效地避免了電弧等現(xiàn)象的出現(xiàn)和微波輻射屏蔽等問題，實(shí)現(xiàn)了纖維鋪放微波原位固化制造工藝，如圖5所示。其研究結(jié)果顯示，通過該微波設(shè)備，5min固化得到的炭纖維樹脂基復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度幾乎跟熱壓罐固化得到的一樣。此外，微波在拉擠成型［42］，樹脂傳遞模塑成型［43］等領(lǐng)域也顯示了良好的使用前景。

樹脂基復(fù)合材料微波固化機(jī)理實(shí)質(zhì)上也屬于熱固化，但其特殊之處在于微波加熱機(jī)制獨(dú)立于材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，它是一種被加熱物體在電磁場中由于介質(zhì)損耗引起的“體加熱”方式［32］。熱傳導(dǎo)中，熱能因?yàn)榇嬖跓崽荻榷D(zhuǎn)移，而微波加熱則是直接發(fā)射到材料的電磁波能向熱能的轉(zhuǎn)換。因此相比傳統(tǒng)熱源由表及里的傳導(dǎo)方式，微波具有加熱均勻、效率高、固化速率快和便于控制等優(yōu)點(diǎn)。微波加熱效率跟材料的介電性能有很大關(guān)系。然而，單向纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料板的介電性能是各向異性的，而且不同方向的單向板疊加而成的層合板內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)介電性能的不連續(xù)，這便導(dǎo)致了電磁場在樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部的分布非常復(fù)雜，故其機(jī)理仍然需要進(jìn)一步深入研究。

這些研究表明微波輻射作為玻璃／芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料原位固化制造領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但在炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料原位固化制造領(lǐng)域的應(yīng)用需要進(jìn)一步研究。

2.4 紫外光固化

光固化屬于輻射固化中最常見的一類，其反應(yīng)機(jī)理是光輻射引起光引發(fā)劑分解出活性離子或自由基，并引發(fā)聚合。紫外光固化方式具有低溫快速固化、污染小、能耗低及使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛地應(yīng)用在涂層和薄膜固化等領(lǐng)域［46，47］。DECKER和Yuan等［48，49］比較早的通過紫外光實(shí)現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的固化。紫外光固化可以很好的跟玻璃纖維纏繞、拉擠成型和真空輔助樹脂傳遞模塑成型等工藝結(jié)合［50］，如圖7所示。但是，因?yàn)樽贤夤獾拇┩改芰τ邢蓿淮沃荒芄袒欢ê穸鹊耐该鲝?fù)合材料，不能很好地對(duì)厚度比較大的復(fù)合材料進(jìn)行有效的固化。

本來方玫去廠里沒幾個(gè)月，人還沒混到多熟。再說，質(zhì)檢是按計(jì)件算工錢，誰陪著方玫去看病，誰的工錢就會(huì)變少。

圖7 UV－VARTM制造船體零件［51］Fig.7 Hull parts manufacturing with UV－VARTM［51］

原位固化制造工藝將樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)和固化方式集成為一體，采用分層固化工藝替代了傳統(tǒng)的熱壓罐一次固化工藝。因此，該工藝具有能耗小、靈活性強(qiáng)、工藝易于控制、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。原位固化制造工藝可以很好地把高效、低成本固化方式與纖維鋪放、纖維纏繞、拉擠成型和液體模塑成型等工藝結(jié)合，從而明顯降低樹脂基復(fù)合材料制造成本，在大尺寸和厚樹脂基復(fù)合材料零件制造中具有很大優(yōu)勢。

熱固化工藝是到現(xiàn)在為止最為成熟的樹脂基復(fù)合材料固化工藝，因此相應(yīng)的熱固化材料體系和固化工藝已相當(dāng)成熟。如果在現(xiàn)有成熟的熱固性材料體系上能實(shí)現(xiàn)原位熱固化制造，將會(huì)是最快而且最簡便的方法之一。這種技術(shù)可以省去新材料開發(fā)成本和新材料廣泛的性能測試成本。Boll等［19］提出并探討了熱固性預(yù)浸帶原位熱固化鋪放工藝：在輸送通道內(nèi)對(duì)預(yù)浸帶進(jìn)行輸送的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，使預(yù)浸帶達(dá)到一定的固化程度；對(duì)該預(yù)熱后的預(yù)浸帶進(jìn)行鋪放，并在輥壓的同時(shí)提供額外的熱源使其進(jìn)一步固化。但該工藝固化過程隨其輸送和鋪放分幾段進(jìn)行，各部分相應(yīng)的溫度及固化程度需要隨材料參數(shù)和輸送速度等工藝參數(shù)的變化而進(jìn)行調(diào)整，工序繁瑣，實(shí)施性差；而且通過預(yù)熱以后的預(yù)浸帶會(huì)變軟，這對(duì)設(shè)備輸送系統(tǒng)和鋪放工藝都帶來了新的挑戰(zhàn)。此外，由于樹脂基復(fù)合材料本身對(duì)熱輻射和熱傳遞不敏感，熱量傳播速度比較慢，該原位固化制造工藝還是很難能使熱固性預(yù)浸帶達(dá)到完全固化，因此制造過程完成以后還需要后續(xù)的二次熱處理工序。因此，更多關(guān)于熱固性樹脂基復(fù)合材料原位熱固化制造相關(guān)的研究進(jìn)展也比較緩慢。

圖8 基于機(jī)器人的紫外光原位固化纖維鋪放機(jī)［53］Fig.8 Robot－based UVin－situcuring fiber placement machine［53］

原位固化制造工藝結(jié)合了預(yù)成型和固化兩種工藝，因此要求成型材料和固化源必須滿足一些特殊要求：復(fù)合材料固化速率快、能完全固化和使用性能滿足要求，固化源容易獲取等。本工作重點(diǎn)圍繞原位固化制造工藝對(duì)比分析了各種固化方式優(yōu)缺點(diǎn)及存在的問題，并結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)狀，對(duì)樹脂基復(fù)合材料原位固化制造技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

綜上所述，CABG聯(lián)合MVR治療CAD伴MMI，可顯著改善患者心功能，提高患者生活質(zhì)量。但臨床上應(yīng)根據(jù)患者實(shí)際情況選擇最合適的手術(shù)方案，提高臨床療效以及安全性。

2.5 電子束固化

20世紀(jì)70代末法國AEROSPATIALE公司［15］用γ射線、X射線等高頻電磁波和電子束對(duì)樹脂基復(fù)合材料輻射固化進(jìn)行了研究。他們通過大量固化對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：γ射線、X射線劑量率低，因此固化所需要的時(shí)間比較長。其中，對(duì)于同樣的樹脂基復(fù)合材料，X射線固化所需要的時(shí)間相比電子束固化所需時(shí)間60倍還長；生成高頻電磁波需要比較高的成本而且會(huì)產(chǎn)生一些難以處理的物質(zhì)［16］；此外，它們的輻射對(duì)人體帶來嚴(yán)重的危害，其高穿透能力明顯地增加了屏蔽成本。雖然高頻電磁波在固化厚度比較大的零件領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢［15，17］，如10MeV能量的電子束通常能處理厚度25mm左右的樹脂基復(fù)合材料，但其轉(zhuǎn)化成同等能量的X射線以后的處理深度就能達(dá)到300mm左右［15，18］，如圖3所示，但是由于固化速率和高維護(hù)成本等問題，高頻電磁波實(shí)現(xiàn)樹脂基復(fù)合材料原位固化制造工藝近年來沒有得到相應(yīng)的發(fā)展。

圖9 飛機(jī)艙壁部分用高能電子束（10MeV）固化［56］Fig.9 EB curing of fiber－placed bulkhead section with 10MeV accelerator［56］

為了降低高能電子束設(shè)備帶來的高維護(hù)、屏蔽和制造成本，隨后出現(xiàn)了低能電子束原位固化跟各種成型工藝結(jié)合。低能電子束原位固化制造方法最初是由CIRRI等［59］提出。此后，相繼 Guasti等［60］通過低能電子束結(jié)合纖維纏繞工藝，實(shí)現(xiàn)了厚樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件的固化成型，如圖11所示。Yen等［61］提出低能電子束原位固化跟纖維鋪放技術(shù)相結(jié)合，緊接著Goodman和Bykanov等［62，63］開發(fā)了相應(yīng)的低能電子束發(fā)射設(shè)備，并結(jié)合纖維鋪放進(jìn)行了初步的低能電子束原位固化制造工藝研究，如圖12所示。研究結(jié)果表明，低能電子束固化結(jié)合纖維鋪放工藝表現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)：能耗低、固化速率快、固化均勻及靈活性高等。同時(shí)也存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）因?yàn)槌?、快速固化?dǎo)致固化成型以后的樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件層間強(qiáng)度比較低。（2）電子束低溫固化得到的樹脂玻璃化溫度比較低（60～80℃）。這些問題都需要對(duì)電子束原位固化制造得到的樹脂基復(fù)合材料零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒岷筇幚聿拍艿玫奖容^好的解決。

40年來產(chǎn)業(yè)集中度逐漸提高。1998年國務(wù)院39號(hào)文件出臺(tái)后，中國農(nóng)藥市場完全放開，在國家政策法規(guī)和市場機(jī)制的雙重作用下，農(nóng)藥企業(yè)兼并重組、股份制改造的步伐加快，再加上行業(yè)外資本的進(jìn)入，農(nóng)藥企業(yè)逐步向集團(tuán)化、規(guī)?；?jīng)營轉(zhuǎn)變，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，產(chǎn)業(yè)集中度逐漸提高，涌現(xiàn)了一批經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)的大型企業(yè)集團(tuán)。如中國化工集團(tuán)先后兼并了以色列馬克西姆、瑞士先正達(dá)公司，成為全球三大農(nóng)化巨頭之一，加快了進(jìn)軍全球市場的步伐。

圖10 纖維鋪放并電子束固化成型飛機(jī)下翼［58］Fig.10 Lower wing skin manufactured by fiber－placement and EB curing［58］

圖11 纖維纏繞低能電子束逐層固化工藝［60］Fig.11 Layer by layer polymerization with low－energy electron beam for filament winding［60］

炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料電子束固化技術(shù)在國外已經(jīng)得到了相當(dāng)大的發(fā)展，其固化零件已經(jīng)成功地應(yīng)用在航空航天一些重要部位上。電子束固化方式成為能取代傳統(tǒng)的熱固化方式的最有效固化方式之一。電子束原位固化制造技術(shù)不僅降低了固化所需電子束能量，而且能跟纖維鋪放等成型工藝靈活結(jié)合，對(duì)機(jī)身、機(jī)翼等大型構(gòu)件的制造提供了更有效和低成本的方法。因此，電子束原位固化制造工藝將會(huì)在航空航天等領(lǐng)域得到更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

圖12 低能電子束原位固化纖維鋪放裝置［64］Fig.12 Fiber placement head with low－energy electron beamin－situcuring［64］

3 結(jié)束語

原位固化制造技術(shù)作為一種重要的樹脂基復(fù)合材料低成本制造技術(shù)具有非常誘人的應(yīng)用前景，尤其是隨著中國“大飛機(jī)項(xiàng)目”的上馬，該技術(shù)將會(huì)成為解決大飛機(jī)大型和超大型復(fù)合材料構(gòu)件低成本和高質(zhì)量制造的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)之一。但是，現(xiàn)階段該技術(shù)存在一些問題亟待研究和解決。從上述研究現(xiàn)狀及文獻(xiàn)來看，未來的研究重點(diǎn)主要在以下幾個(gè)方面：

（1）樹脂基復(fù)合材料／樹脂體系。為了實(shí)現(xiàn)低成本制造工藝，需要從文章所提到的熱固／熱塑性樹脂基體材料改性到開發(fā)紫外光以及電子束固化相應(yīng)的樹脂體系并與相應(yīng)的增強(qiáng)體材料復(fù)合，需要進(jìn)行一系列材料方面研究，并使其使用性能達(dá)到所需行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和性能要求。

式中，ve為彈體向后拋射的銷蝕碎片速度;ue為v=ve時(shí),所對(duì)應(yīng)的侵徹速度；ve可通過式(11)計(jì)算得出：

（2）各種固化源設(shè)備的研發(fā)。無論是原位熱、微波、紫外光還是電子束固化都需要開發(fā)相應(yīng)的固化源發(fā)射裝置并對(duì)強(qiáng)輻射性的固化源提供有效的屏蔽措施。其中值得一提的是國內(nèi)適用于原位固化制造工藝的微波和電子束發(fā)射設(shè)備以及有效、合理的屏蔽方面的研究均比較落后，需要更多的關(guān)注。

（3）基礎(chǔ)工藝研究。樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件低成本制造瓶頸在于基礎(chǔ)成型工藝。工藝研究在原位固化制造工藝上表現(xiàn)得更突出：原位固化制造工藝集成了預(yù)成型工藝和固化工藝，但又有區(qū)別于這兩者的特殊之處。因此，需要綜合考慮材料改性結(jié)合固化方式和具體成型方法特點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)工藝研究，才能采用原位固化制造工藝制造出性能更加良好的復(fù)合材料構(gòu)件。

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Overview ofIn－situCuring Manufacturing Technology for Resin Matrix Composites

ABULIZI Dilimulati，DUAN Yu－gang，LI Di－chen，LU Zhong－liang
（State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710054，China）

With the enlargement of application area and increasing use of resin matrix composites，developing automated and low cost manufacturing methods has become a research focus in the advanced manufacturing field.In this paper，the concept，emergence and meaning of resin matrix compositesinsitucuring manufacturing technology has been introduced in detail.Researches about variousin－situcuring manufacturing methods for resin matrix composites at home and abroad are mainly reviewed，and main advantages and disadvantages ofγ－ray，X－ray，heat，microwave，ultraviolet and electron beam curing methods forin－situcuring manufacturing are comparatively analyzed.

in－situcuring；resin matrix composite；advanced manufacturing；low cost；high efficiency

V261.97；TB332

A

1001－4381（2011）10－0084－07

國家科技重大專項(xiàng)（2009ZX04004－111）；陜西省“13115”科技創(chuàng)新工程重大科技專項(xiàng)（2008ZDKG－19）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50875202，51005177）；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃（IRT0646）

2010－10－20；

2011－03－25

迪力穆拉提·阿卜力孜（1986－），男，維吾爾族，博士研究生，從事樹脂基復(fù)合材料成型裝備與制造工藝方面研究工作，聯(lián)系地址：陜西省西安市雁翔路99號(hào)西安交通大學(xué)西五樓機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室B311室（710054），E－mail：dilmuratabliz＠gmail.com