专家观点
中国新一代飞机关键复合材料实现完全自主保障
2019-11-20 17:49  点击:220

 

 

  廖子龙,中航复合材料有限责任公司副总工程师,研究员。长期从事树脂基体及预浸料研究工作,多次负责重大课题项目中树脂及预浸料研制,国产碳纤维应用研究。对高性能树脂改性,热熔法预浸料制备工艺与设备等方面进行了系统研究,针对我国碳纤维等增强材料复合材料开展全面研究和验证,突破国产碳纤维复合材料应用的关键技术,在我国新一代直升机上获得应用。先后获得集团科技进步一等奖2项,二等奖3项,三等奖2项,某型机航空报国金奖三等奖,某型直升机设计定型二等功,直升机国产复合材料应用研究及工程化应用项目二等功。

 

  先进复合材料具有比模量、比强度高,抗疲劳、耐腐蚀,可设计性强等性能特点,已在航空装备中得到广泛应用,成为飞机结构最重要的材料之一,其用量成为飞机先进性的重要标志之一。与传统的飞机机体使用的金属材料(如铝合金)相比,复合材料在制造或使用中遭受意外冲击(如冰雹、飞石、装配过程的工具跌落等)时,其内部易出现不易观测到的分层损伤,严重威胁飞机结构的安全。因此,如何提高复合材料的抗冲击损伤能力是复合材料在机翼、机身等主承力结构应用的关键技术之一。

 

  随着复合材料技术的不断发展和飞机结构对复合材料要求的提高,1990年波音公司制定了高韧性碳纤维环氧预浸料标准(BMS8-276),提出了适合民机主承力结构用复合材料的技术指标体系,大大推动高韧性复合材料技术的发展与应用。随着高强中模碳纤维及与之匹配的高韧性树脂基体等关键技术的突破,高强中模碳纤维增强3900-2、977-1、8551-7、M91和M21E树脂复合材料等为代表的高韧性复合材料抗冲击损伤能力显著提高,复合材料的CAI值达到310MPa以上,并在飞机主承力结构得到广泛应用。

 

  高韧性预浸料技术体系

 

  目前,航空先进复合材料的主要基体材料是热固性树脂(如用量较多的环氧树脂基体类,双马来酰亚胺基体类),热固性树脂具有成型工艺性、耐环境性和尺寸稳定性好等优点,传统的热固性树脂基体韧性较差,并遗传给碳纤维复合材料较低的抗冲击损伤能力。

 

  提高碳纤维复合材料抗冲击损伤能力是先进复合材料及应用的关键技术之一,主要核心技术是基体树脂增韧。热固性树脂最有效的增韧方法之一是向树脂基体中加入韧性组分,通过构造所谓的“复相”或“多元”体系的手段达到提高树脂基体体系韧性的目的。传统热固性树脂基体的增韧方法主要是在树脂中加入高性能的热塑性树脂,这种增韧技术通常称之为本体增韧技术,在本体增韧技术基础形成了初、中等韧性热固性树脂。树脂本体增韧技术引入大量热塑性成分后,牺牲了原有热固性树脂良好的黏性,使其工艺性明显“劣化”,预浸料铺敷性下降。此外,树脂化学成分的改变以及固化后相结构的改变,使得增韧树脂新结构的控制非常复杂。

 

  中航工业复合材料技术中心/中航复合材料有限责任公司(简称中航工业复材)是国内最早开展先进复合材料研究的单位,曾承担大量国家、国防重点高性能树脂及复合材料研究项目。在热固性树脂增韧机理、中等韧性、高韧性树脂体系开发和适用于韧性树脂的预浸料制备工艺与设备等方面开展了大量系统的研究工作。

 

  发展系列化、具有自主知识产权的复合材料层间增韧技术。在不改变原有热固性树脂预浸料的工艺优点,并保持其面内力学性能不变的同时,大幅度提高了复合材料的冲击损伤能力,达到了波音公司对高韧性结构复合材料的要求(BMS8-276),为第三代高韧性复合材料发展和应用奠定了技术基础。

 

  自主研发基于增韧组分再分配原理的复合材料增韧技术体系。在复合材料成型过程中,树脂体系中的增韧组分向复合材料层间的转移、富集,从而达到对复合材料抗损伤能力薄弱的层间增韧的目的,形成了第二代高韧性环氧树脂基体(如5228A、9916-II等)和双马树脂基体(QY9611、5429等)复合材料。

 

  开发自主知识产权韧性树脂预浸料制备技术。采用涡旋异步分离膜滑延转印及反向渗透复合预浸,突破高精度高韧性树脂膜制备及其连续化生产关键技术,研制出国内首台适用于高韧性树脂预浸料制造设备,实现高精度高韧性预浸料连续工程化生产,填补了国内高韧性预浸料制备工艺技术和专用装备的空白。

 

  研制能力与复合材料应用

 

  中航工业复材拥有包括中国工程院院士,中航工业复合材料首席、特级、一级专家和中航工业基础院首席专家在内的,长期从事高性能树脂基体研究和预浸料制备工艺技术研发的专家队伍与专业技术人员。现有树脂预浸料专用生产厂房1.5万平方米,4套具有国际先进水平大型热熔预浸机,有力保障了国内航空装备对先进复合材料树脂及预浸料的需求。

 

  经过多年来技术基础预研和关键技术攻关,突破了高韧性复合材料关键技术,自主研发系列化的高性能树脂体系,复合材料综合性能达到国外高性能复合材料第二代技术水平,并在我国各种飞机主承力结构,次承力结构,功能结构和发动机冷端结构上获得应用。已基本掌握第三代高性能复合材料关键技术,5228E、9918和AC531等高韧性树脂复合材料的韧性CAI已达到310MPa以上,为第三代高韧性结构复合材料在我国新一代飞机主承力结构上的应用复合材料奠定了基础。

 

  中航工业复材系统开展了国产T300级碳纤维增强高韧性环氧树脂基复合材料应用研究,已经成功应用于飞机的垂尾、平尾和机身尾段等结构。系统开展了国产T700碳纤维增强双马树脂基复合材料研制及应用研究,突破了高韧性双马树脂基体制备及其预浸料制备等关键技术,实现国产T700级碳纤维增强高韧性双马树脂基复合材料在飞机机翼、机身等主结构上的率先应用。研究开发了包括高韧性环氧树脂,双马树脂等多型国产碳纤维预浸料,实现了我国新一代飞机关键复合材料的完全自主保障。

 

  为了满足我国航空装备的发展需求,中航工业复材开展了国产T800级高韧性碳纤维复合材料全面性能和制造工艺考核验证,国产碳纤维增强高韧性复合材料的性能达到了国内领先、国际先进水平。同时,针对复合材料自动铺放技术,开发了适用于纤维自动铺带(丝束)预浸料,为实现复合材料自动化制造提供预浸料材料基础。

 

  中航工业复材承担我国航空复合材料材料标准和工艺规范体系的建设,是我国航空用树脂及预浸料的生产供应商,正在努力实现“成为世界级先进复合材料技术和产业先锋”的愿景。