W型航空隔板RTM成型材料選擇研究

朱成香，張改華，高永強(qiáng)，王 強(qiáng)

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

為了滿足高性能飛機(jī)的發(fā)展需求，復(fù)合材料用量必將大幅增加。W型航空隔板是雙發(fā)動機(jī)常用的結(jié)構(gòu)形式，作為飛機(jī)上的次承力機(jī)構(gòu)，主要用來承受機(jī)身剪力，如果采用復(fù)材結(jié)構(gòu)，則可大大減輕飛機(jī)重量。

RTM（Resin Transfer Molding）成型工藝是21世紀(jì)復(fù)合材料生產(chǎn)領(lǐng)域的主導(dǎo)工藝之一，其所需設(shè)備的費用要比熱壓罐成型所需設(shè)備的費用低得多。如果某飛機(jī)W型航空隔板采用RTM工藝成型，就可以在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時降低復(fù)材制造成本。然而，RTM成型工藝對樹脂的要求較高。

1 RTM工藝常用樹脂

RTM工藝對樹脂的要求比較高，適用于RTM工藝要求的樹脂必須滿足以下幾點：

1）粘度低,樹脂與纖維的粘接性好;

2）在注射溫度下有足夠的適用期,同時在固化成型溫度下能迅速固化;

3）固化時無低分子物放出,收縮率低[1,2]。此外,還要求注模時成型壓力低,模具的溫度也要求較低(< 80℃)。因此選擇合適的樹脂是決定W型航空隔板RTM成型性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。

1.1 常用樹脂性能對比

1）對于聚酯和乙烯基脂類，單體轉(zhuǎn)化率達(dá)5%~ 10%時，樹脂就出現(xiàn)凝膠，而環(huán)氧、雙馬或酚醛類樹脂，只有當(dāng)50%~60%的單體轉(zhuǎn)化為大分子時才出現(xiàn)凝膠，故聚酯和乙烯基脂類樹脂不適合做RTM用樹脂。

2）環(huán)氧樹脂

優(yōu)點：眾多可供選擇的環(huán)氧和固化劑使環(huán)氧樹脂體系的種類在工藝范圍和可達(dá)到的物理性能方面非常多樣化。環(huán)氧樹脂通常使用的固化劑是芳香族或脂肪族胺類、酸酐和酚醛。

3）酚醛熱固性材料

缺點：酚醛聚合物很脆，導(dǎo)致這些材料體系具有拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率都很低和裂紋敏感性較高的特征，而且成形困難。

優(yōu)點：具有優(yōu)異的阻燃性和低的發(fā)煙量，唯一能夠使復(fù)合材料具有同樣好的阻燃性及低的發(fā)煙量的樹脂是雙馬樹脂，但價格比酚醛高一個數(shù)量級。

4）氰酸樹脂

缺點：較高的成本（44美元/Kg-220美元/Kg）

優(yōu)點：較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和極好的電性能是氰酸樹脂應(yīng)用的主要驅(qū)動力。低吸濕率、良好的力學(xué)性能。高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、低的介電常數(shù)和介電損耗因子阻止了通過復(fù)合材料的高能輻射的發(fā)射和接受，它能夠滿足雷達(dá)結(jié)構(gòu)的需求，在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上也有應(yīng)用。

5）雙馬樹脂

缺點：較高的成本（44美元/Kg-220美元/Kg）。

優(yōu)點：具有更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、良好的熱氧化穩(wěn)定性及阻燃性。

1.2 國內(nèi)典型RTM樹脂體系

復(fù)合材料低成本液態(tài)成型工藝技術(shù)研究雖然起步相對較晚，但發(fā)展很快。近年來出現(xiàn)了多個工藝性和力學(xué)及耐熱性能優(yōu)良的液態(tài)成型樹脂基體及其配套定型劑材料和預(yù)成型體制備技術(shù)（表1）。這些液態(tài)成型材料體系突破了低粘度化等技術(shù)難題，并建立了相應(yīng)的材料和工藝標(biāo)準(zhǔn)，逐步開始了在工程上的應(yīng)用。

表1 國內(nèi)液態(tài)成型樹脂體系

2 W型航空隔板RTM成型樹脂選擇

2.1 W型航空隔板外形結(jié)構(gòu)

某飛機(jī)W型航空隔板如圖1所示，屬于細(xì)長型結(jié)構(gòu)，用于機(jī)身艙門部位，左右跨度2000mm左右，主要用來承受機(jī)身剪力，由于左右跨度較大，因此所選的樹脂要有足夠長的低粘度區(qū)間。W型航空隔板如果用于后機(jī)身發(fā)動機(jī)艙門位置，溫度將會較高，同時考慮到成本問題，注射溫度不宜太高，綜合考慮，擬選用5284RTM樹脂。

圖1 艙門W型隔板

2.2 5284RTM樹脂性能數(shù)據(jù)

2.2.1 5284RTM環(huán)氧樹脂工藝性能

大型復(fù)雜整體或大厚度結(jié)構(gòu)采用RTM成型，對于樹脂的工藝性能要求較高。凝膠時間是熱固性樹脂在一定反應(yīng)溫度下達(dá)到凝膠狀態(tài)所需的時間，是制定熱固性樹脂基復(fù)合材料成型工藝標(biāo)準(zhǔn)的重要參數(shù)。5284RTM環(huán)氧樹脂凝膠時間－溫度曲線如圖2所示。180℃下5284RTM樹脂的凝膠時間為47min。5284RTM樹脂的DSC曲線見圖3。

圖2 5284RTM樹脂凝膠時間測定

圖3 5284RTM樹脂的DSC曲線

2.2.2 5284RTM樹脂的貯存性能與工藝適用期

樹脂粘度是表征樹脂的流動能力和工藝性能的重要參數(shù)。RTM用樹脂要求具有適當(dāng)?shù)恼扯?，如果粘度太高，不但需要較大的注射壓力，而且樹脂和纖維浸潤速度較慢，不利于空氣排除；如果粘度太小，則容易在浸潤纖維束之前就充滿模腔，導(dǎo)致制品中的疏松缺陷。一般情況下，RTM樹脂注射粘度應(yīng)小于1.0Pa.s，最佳注射粘度為0.05Pa.s～0.3Pa.s。

如圖4，5284RTM樹脂在不同老化時間后的粘度隨溫度的變化曲線，老化條件為室溫（平均溫度20℃～25℃），經(jīng)過了一年中最炎熱的季節(jié)（4月～9月）。經(jīng)過157天老化后的5284RTM樹脂的粘度仍能滿足RTM成型工藝的要求，這說明5284RTM樹脂在室溫環(huán)境條件下的貯存期在5個月以上。

圖4 5284RTM樹脂在室溫下不同時間老化后的粘度隨溫度變化曲線

樹脂的工藝適用期是指已經(jīng)制備的樹脂體系或預(yù)浸料保持其工藝適用性的時間。工藝適用期的長短直接關(guān)系到復(fù)合材料制件的成品率、產(chǎn)品質(zhì)量等。在現(xiàn)有的RTM樹脂中，無論是不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂，還是雙馬樹脂，它們的工藝適用期大都在1小時～10小時范圍內(nèi)，很難滿足大型、高品質(zhì)、高性能復(fù)合材料制件的生產(chǎn)需求。圖5是5284RTM樹脂在80℃條件下老化的粘度隨溫度變化曲線。從圖中可以看到，隨著時間的推移，5284RTM樹脂粘度在同等溫度下是不斷變大的。然而在80℃下的粘度為700mPa.s，低于RTM樹脂粘度的上限1000mPa.s，仍在RTM注射粘度之內(nèi)，如果這時樹脂的粘度仍然偏高，則可以進(jìn)一步提高樹脂注射溫度，以滿足工藝要求。這說明5284RTM樹脂在80℃注射溫度下工藝適用期大于4（96小時）天。

圖5 5284RTM樹脂在80℃條件下放置不同時間后的粘度隨溫度變化曲線

圖6 5284RTM樹脂在65℃條件下放置不同時間后的粘度隨溫度變化曲線

圖6是5284RTM樹脂在65℃條件下放置不同時間后的粘度隨溫度變化曲線，圖7是5284RTM樹脂在65℃下的粘度隨老化時間（65℃）變化曲線，樹脂在65℃條件下老化12天以后，它在65℃下的粘度僅上升到了200mPa.s左右?？梢?，如果樹脂注射溫度為65℃，其工藝適用期在12天（288小時）以上。而美國Cytec公司的PR520環(huán)氧樹脂體系的注射工藝溫度在120℃之上，PR520在104℃下的粘度也高于300mPa.s，PR520樹脂在106℃下保持6小時后其粘度則上升到了1000mPa.s以上，如圖8所示。因此，可認(rèn)為5284RTM的工藝性能優(yōu)于PR520及RTM6。

2.3 5284樹脂基材料體系材料許用值研究

2.3.1 物理性能

5284樹脂基材料體系常用的適合RTM成型的材料常用的有：U-3160/5284RTM復(fù)合材料，；CF3031/ 5284RTM復(fù)合材料，CF3052/5284RTM復(fù)合材料。單層壓厚：U-3160/5284RTM復(fù)合材料控制在0.163mm± 0.008mm；CF3031/5284RTM復(fù)合材料控制在0.225mm± 0.01mm；CF3052/5284RTM復(fù)合材料控制在0.295mm± 0.015mm。

圖7 5284RTM樹脂在65℃下的粘度隨老化時間變化曲線

圖8 PR520在106℃下的粘度變化曲線

空隙率（GB/T 3365-2008）測試結(jié)果為基本無空隙。

密度及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度如表5和表6所示。

表5 復(fù)合材料層壓板密度

表6 復(fù)合材料層壓板玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

20℃干態(tài)和濕態(tài)下復(fù)合材料基本力學(xué)性能如表7和表8所示。

表7 20℃干態(tài)下復(fù)合材料基本力學(xué)性能（B基值）

表8 20℃濕態(tài)下復(fù)合材料基本力學(xué)性能（B基值）

20℃干態(tài)和濕態(tài)下復(fù)合材料基本力學(xué)性能如表9和表10所示。

表9 130℃干態(tài)下復(fù)合材料基本力學(xué)性能（B基值）

表10 130℃濕態(tài)下復(fù)合材料基本力學(xué)性能（B基值）

2.3.2 數(shù)據(jù)對比研究

通過試驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：

1)在相同溫度下，U3160/5284RTM經(jīng)向拉伸強(qiáng)度和經(jīng)向壓縮強(qiáng)度較好；CF3031/5284RTM面內(nèi)剪切強(qiáng)度、緯向拉伸強(qiáng)度和緯向壓縮強(qiáng)度較好；CF3052/ 5284RTM各項力學(xué)性能較差。

2）復(fù)合材料相同溫度下干態(tài)和濕態(tài)基本力學(xué)性能對比發(fā)現(xiàn)：干態(tài)下基本力學(xué)性能普遍優(yōu)于濕態(tài)下基本力學(xué)性能。

3 結(jié)論

由于U3160/5284RTM經(jīng)向拉伸強(qiáng)度和經(jīng)向壓縮強(qiáng)度較好；CF3031/5284RTM面內(nèi)剪切強(qiáng)度、緯向拉伸強(qiáng)度和緯向壓縮強(qiáng)度較好，而W型航空隔板緣條部位主要承受拉應(yīng)力；隔板腹板部位主要承受剪應(yīng)力，故將U3160/5284RTM用于W型航空隔板緣條部位，CF3031/5284RTM用于W型航空隔板腹板部位。

[1]Beckwith S.W,CRAIG R.H.Resin transfermolding,a decade technology advances[J].SAMPE Journa,l 1998,34(6):21-23.

[2]孔晉峰,張彥飛,劉亞青.復(fù)合材料RTM成型工藝參數(shù)的研究[J].工程塑料應(yīng)用,2009,(3):42-44.