复合材料液态成型工艺结构设计及制造技术分析

王强，姜志峰，付杰斌，陈龙辉

（中航工业洪都，江西南昌330024）

复合材料液态成型工艺结构设计及制造技术分析

王强，姜志峰，付杰斌，陈龙辉

（中航工业洪都，江西南昌330024）

主要对复合材料液态成型工艺特点进行分析，本文介绍了国内外复合材料液态成型工艺及其在结构上的应用情况，探讨了液态成型工艺复合材料结构设计及制造技术的发展思路。

液态成型；复合材料；结构

0 引言

成型工艺方法是飞机复合材料结构研发需要面对的主要技术问题之一。对于具体的结构目标，成型工艺方法的选择将直接影响复合材料的应用效益。在实际结构的研发生产中，应针对具体的性能／成本目标，基于不同成型工艺方法的固有特点，形成最为合理的结构设计和制造方案。简单地求新或不加分析地模仿均难获取最优的性能／成本综合效益，而此效益是衡量复合材料应用水平的根本尺度。

液态成型是在低成本复合材料技术思想指导下出现的复合材料成型技术。复合材料液态成型技术是一项数字化制造技术，便于零件的整体成型。

1 复合材料液态成型工艺分析

复合材料液体成型工艺是继热压罐成型工艺之后开发的最成功的复合材料成型工艺，也是最成功的非热压罐低成本复合材料成型工艺，在飞机结构上应用的液态成型工艺主要有树脂传递模塑法（RTM）、树脂膜熔融浸渍法（RFI）和真空辅助树脂浸渍法（VARI）。其中，RTM工艺的原理是，在模具内预先放置干态纤维或织物预制件，在压力注入或外加真空辅助条件下，液态、具有反应活性的低黏度树脂贯穿流动并充填闭合模具，排出气体同时浸润并浸渍干态纤维结构。在完成浸润浸渍后，树脂在模具内通过热引发交联反应完成固化，最终得到成型的制品；VARI工艺是在真空状态下排除纤维增强体中的气体，利用树脂的流动、渗透，实现对纤维及其织物浸渍；RFI工艺则介于VARI工艺和热压罐工艺之间，其树脂基体为预浸料树脂，只是省去了预浸料的制备工艺，将预浸料树脂制备成树脂膜后铺在增强材料之下或增强材料层之间，然后在热压罐的热和压力下渗透浸润增强材料并固化成型。

1.1 RTM成型工艺

RTM成型原理如图1所示。

RTM是将树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化的工艺方法，是近年来发展迅速的适宜多品种、中批量、高质量先进复合材料制品生产的成型工艺。RTM适用于单向带层压板（干态）、复杂形状编织件（二维织布干态、三维编织件干态）和泡沫夹层结构，因其对树脂面内流动阻碍太大而无法采用缝合、ZPin等层间增强工艺。

图1 RTM成型原理

RTM的特点明显，主要体现在：

1）提供在非热压罐环境下制造具备较高力学性能的结构零件的可能性。

对于不具备热压罐设施而有意制造一些小尺寸结构件的生产商，此特点具有非常重要的意义。尽管模具方面要求的资金投入会显著高于预浸料工艺，但与建立热压罐设施要求的投入相比，此法节省成本的效果颇为明显。

2）可以满足较高的零件尺寸精度要求。

由于成型过程在密闭的模腔内进行，RTM方法制造的零件可以满足较高的尺寸精度要求。尤其对于有较高厚度向尺寸精度要求的零件，此法可突破预浸料工艺方法的局限。

具有无需胶衣涂层即可为构件提供双面光滑表面的能力，能制造出具有良好表面品质的、高精度的复杂构件，结构件的尺寸精度高，一般无需精加工；成型效率高，适合于中等规模复合材料制品的生产，便于使用计算机辅助设计进行模具和产品设计。

3）弥补预浸料工艺在特殊形状结构制造和厚度向增强方面的局限性。

RTM方法的另一个非常重要的特点是：可以通过纤维预成型体制造方法的多样性来克服预浸料工艺方法在一些零件上面临的铺覆困难，以及预浸料工艺方法在零件厚度向增强方面的局限性。

4）具有环境保护方面的优点。

RTM方法的树脂原料在工艺全过程中处于密闭容器之内。成型过程中散发的挥发性物质很少，有利于身体健康和环境保护，因此，与其他成型工艺方法相比，在环境保护方面有突出优点。

5）存在纤维含量和零件尺寸方面的局限性。

RTM方法如用于制造高纤维含量的结构零件，与预浸料工艺方法相比，会面临较大的困难。同时，由于需承受模腔内的成型压力，对模具刚度和强度具有很高的要求。零件尺寸愈大，模具的设计和制造愈为困难。因此，此法不宜用于制造大尺寸的结构零件。

6）对树脂工艺性有特殊要求。

RTM方法要求树脂在一定时间段内保持足够低的粘度，以使树脂有可能充分渗入纤维预成型体的内部空隙之中，否则结构的质量难以保证。同时，由于树脂的转移过程在密闭的模腔中进行，为避免结构内部产生气孔，要求不能采用可挥发溶剂来降低树脂的粘度。因此，相应树脂的研发过程必须对树脂的工艺性有较多的兼顾。

1.2 RFI成型工艺技术

RFI成型技术原理如图2所示。

图2 RFI成型技术原理

RFI是目前综合性能最佳的复合材料成型工艺之一，与传统RTM相比，其特点为：树脂基体为固体，存贮、运输方便；操作简单，加工周期短，废品率低，可经济快速地成型结构尺寸大的制品；RFI只需加工单面模具，大大降低了模具的加工设计费用；RFI成型压力低，模具的选材机动性强；成型不需要大型复杂的树脂计量注射设备，大大降低了设备成本；制品纤维含量高（接近70%），空隙率低(0～0．1%)；工艺不采用预浸料，树脂挥发少，VOC(挥发有机化合物)含量符合IMO（国际有机质量标准）标准，更有利于操作者的身体健康和环境保护。

与预浸料工艺方法相比，RFI方法的真正独特之处在于：提供了在大型壁板类构件上实现局部缝合增强的可能性。此法虽减免了预浸料制造工序，但一般仍需热压罐设施的支持，对树脂的工艺性要求也苛于预浸料方法。RFI工艺的关键有预形件合理的设计、铺设、模具设计和全过程中的尺寸控制。RFI工艺适合于制作大型、复杂型面、带加强筋条乃至带加强墙和梁的结构件。适用于单向带层压板（干态）、编织件（干态）、缝合结构和Z-Pin结构，层间增强结构对树脂流动无阻碍。

1.3 VARI成型工艺

VARI成型技术原理如图3所示。

图3 VARI成型技术原理

VARI成型工艺的模具简单，对模具材料要求也低，又特别适合于大型结构件的生产。它既可用于层压板、又可用于蜂窝夹层结构，还可以在结构内表面镶嵌加强筋、内插件、连件，以满足不同用途的需要。它对单曲面、双曲面乃至复杂型面的结构都有良好的适应性。该方法要求高度真空和低粘度的树脂体系。这种树脂在对纤维渗透时，厚度与前进方向是同步的，所以才有可能以很快的速度完成对纤维织物的浸渍。

它也适合于对缝纫预成形体的浸润，使复合材料结构具有良好的抗撞特性；还适合于对埋有传感器结构件的浸润,呈现智能结构特性。因此，VARI是当前最受世人关注的低成本制造技术。

VARI工艺优点:

1）VARI工艺适合成型大厚度、大尺寸的复合材料构件；

2）VARI成形工艺不需要承受注射压力的闭合模具，仅需要在真空条件下不漏气的单面模具；

3）VARI成形工艺不需要额外成型压力，仅需要用密封真空袋保证的真空度；

4）VARI成形工艺作业温度低，经高温处理后可在较高温度下使用；

5）VARI工艺成形的构件力学性能较好、纤维含量较高、孔隙含量低；

6）VARI成形工艺设备投资低、设备使用费用低、生产周期短、能源消耗低、人工费用低；

7）VARI成形工艺环境健康条件好。

8）VARI适用于单向带层压板（干态）、编织件（干态）、缝合结构、Z-Pin结构和泡沫夹心结构。层间增强结构对树脂流动无阻碍，可以结合缝合、编织、特种定型织物等实现复杂结构的整体成型和

Z向增强。

2 国内外研究现状及差距分析

国外飞机制造领域中，以RTM、RFI、VARI等为代表的复合材料低成本液态成型工艺已得到广泛应用。

国外第四代战机如美国的F-22和F-35上已大量应用了RTM成型复合材料，如F-22共有近400个复合材料件采用RTM技术制造，占F-22全机非蒙皮复合材料重量用量的45%和全部复合材料用量的1/4；F-35中也大量应用了RTM技术，并发展了RTM整体成型技术。国外先进大型军用运输机及客机如A400M、A380、A350、B787上的尾翼、机身、机翼、中央翼盒、发动机螺旋桨桨叶及主起落架后撑杆等结构也大量采用RTM技术。

美国航空航天局(NASA)兰利研究中心(Langley Research Center)和美国道格拉斯公司首先用缝合/ RFI技术制造了机翼。A380飞机复合材料后承压框尺寸6.2×5.5×1.6m，采用RFI工艺技术制造，是迄今为止世界上最大的用RFI成型的整体制件。B787飞机副翼、襟翼、扰流板、后承压球面框等构件采用VARI工艺制造（图4）。A400飞机的起落架舱门结构壁板、运动翼面等结构也采用VARI工艺成型（图5）。

图4 B787外副翼加筋壁板

图5 A400M复合材料上货舱门

国内复合材料低成本液态成型工艺技术研究虽然起步相对较晚，但发展很快。近年来出现了多个工艺性和力学及耐热性能优良的液态成型树脂基体及其配套定型剂材料和预成型体制备技术。这些液态成型材料体系突破了低粘度化等技术难题，并建立了相应的材料和工艺标准。3266RTM树脂基复合材料用于某改型机螺旋桨桨叶，6421RTM树脂基复合材料用于歼-××B后边条，高温固化5284RTM环氧树脂基复合材料用于大型运输机复合材料构件，同时北京航空材料研究院采用VARI成型工艺制备了C919复合材料方向舵。

国内飞机结构低成本复合材料成型技术与国外先进水平相比仍存在一定的差距，主要体现在以下几点：

1）材料及树脂体系不够完备；

2）主承力及大型构件应用水平有限；

3）型号应用经验不足。

3 国内复合材料液态成型工艺结构应用

3.1复合材料前边条

复合材料前边条整体件由上蒙皮、肋、边缘条和下蒙皮采用RTM成型工艺整体制造，其中边缘条采用短切纤维填充与主体结构整体成型，如图6所示。上蒙皮、下蒙皮和肋（金属加强除外）均采用5284RTM/U3160。

图6 复合材料前边条整体件

前边条成型模具为整体式注胶模具，主要由上模、下模、肋条1-12，盖板、边条预成型模具、脱模工装组成。

3.2 复合材料减速板

减速板结构由减速板梁、上下蒙皮、隔板、蜂窝夹芯、加强板、作动筒接头等组成，见图7。其中，除作动筒接头、衬套及铜网为金属件外，其余零件均为复合材料件。复材减速板梁采用RTM成型，蒙皮及隔板、加强板采用VARI成型，然后减速板梁、蒙皮隔板与作动筒接头、蜂窝一起进行二次胶接。二次胶接根据RTM与VARI材料体系相匹配选取中温胶膜。

3.3 复合材料机尾罩

复合材料机尾罩整体成型体由RTM整体成型体与4个纵向加强件、4个纵隔板、2个纵向隔板及4个口盖组成。其中RTM整体成型体与纵向零件通过胶膜进行二次胶接（图8）。RTM整体成型体由加强环、环向加强筋、内蒙皮、外蒙皮、垫块等分别完成碳纤维织物铺层预定型体后，与泡沫夹芯（完成热成型+机加形成预定型体）一起采用RTM工艺整体成型。

3.4 复合材料外侧前襟

图7 减速板结构组成

图8 RTM整体成型体与纵向零件二次胶接

复合材料外侧前襟有上蒙皮组合件和下蒙皮组合件及金属件机械连接而成。

上蒙皮与1、3长桁采用RFI工艺整体成形。如图9所示。

图9 上蒙皮

下蒙皮与复材肋采用缝合/RFI工艺整体成型。下蒙皮成形后与下蒙皮长桁采用二次胶接工艺整体成形，如图10所示。

3.5 复合材料前起落架机轮护板

复合材料机轮护板由内外蒙皮、两个工字梁、两个盒形件、3块挡板与ROHACELL泡沫采用VARI工艺整体成型，复合材料前边条铺放流程见图11。

图10 下蒙皮

图11 复合材料前边条铺放流程

3.6 复材方案相对原金属方案减重效果（表1）

表1 复材方案相对金属方案减重效果

4 结语

复合材料液态成型技术可提高外形精度和表面质量并减重，有效降低整体化制造生产成本。飞机结构设计时，应根据液态成型工艺特点，选择合适的成型方法，以获得最优的性能成本综合效益。

[1]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册·第9册.载荷、强度和刚度[M].北京：航空工业出版社，2010.

[2]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册·第10册.结构设计[M].北京：航空工业出版社，2010.

[3]杨乃宾,等.复合材料飞机结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，2002.

[4]北京航空材料研究院第二十八研究室.树脂传递模塑成型5284RTM环氧树脂体系(Q/6S 2084－2006).北京航空材料研究院,2006.

>>>作者简介

王强，男，1982年出生，2004年毕业于南京航空航天大学，高级工程师，现从事飞机结构设计工作。

Analysis on Structure Design and Manufacturing Technology of Liquid Composite Molding(LCM)Process

Wang Qiang,Jiang Zhifeng,Fu Jiebin,Chen Longhui

(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

This paper mainly analyzes process features of liquid composite molding,introduces domestic and overseas liquid composite molding process and its application in structure,and discusses development ideas of structure design and manufacturing technology of liquid composite molding process.

Liquid molding;Composite;Structure

2016-10-30）