環氧樹脂/碳纖維復合材料的成型工藝與應用(中)

    2.5 預浸料成型
    預先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下,用EP預浸漬CF。預浸料在環境溫度下貯存一段時間后仍能保質使用,當要延長保質期時須在冷凍條件下貯存材料。樹脂通常在環境溫度下呈臨界固態,故觸摸預浸料時有輕微的粘附感。預浸料用手工或機械鋪于模具表面,通過真空袋抽真空,放入熱壓罐中成型。通常加熱使樹脂重新流動,終固化。該法的主要優點是可精確地調整EP/固化劑配比和EP在CF中的含量,得到高含量CF;由于制造過程采用可滲透的高粘度樹脂,樹脂化學性能、力學性能和熱性能是適宜的。主要缺點是熱壓罐固化復合材料制品的耗費大、作業慢、制品尺寸受限制;模具需能承受作業溫度并且生產成本較高。
    2.6 低溫固化預浸抖成型
    該工藝完全按預浸料方法制備,EP的化學性質使其得以在肋-100℃固化。在60℃時,材料可操作保質期可小于1個星期也可延長到幾個月。樹脂體系的流動截面適于采用真空袋壓力,避免采用熱壓罐。該法除具有傳統預浸料成型的優點外,因為僅需真空袋壓力,固化溫度低,模具材料較便宜且能耗低,采用簡單的熱空氣循環加熱室便可容易地制造大型結構。主要缺點是復合材料成本仍高于預浸織物;模具需能經受高于環境溫度的溫度;因需高于環境溫度固化故仍有能耗。
    2.7 拉擠成型
    該工藝是指將浸漬了EP的連續CF經加熱模拉出形成預定截面型材的過程。程序是:①使CF增強材料浸漬樹脂;②CF預成型后進入加熱模具內,進一步浸漬、基體樹脂固化、復合材料定型;③將型材按要求長度切斷。該工藝中,EP浸漬CF有兩種方式:其一為膠槽浸漬法。即將增強材料通過樹脂槽浸膠,然后進入模具,通常采用此法;其二為注入浸漬法。GF增強材料進入模具后,被注入模具內的樹脂所浸漬。該法的主要優點是制造速度快,拉擠成型材料的利用率為95%(手糊成型材料的利用率僅為75%);樹脂含量可精確控制;由于纖維呈縱向,且體積分數可較高(40%-80%),因而型材軸向結構特性可非常好。主要缺點是模具費用較高;一般限于生產恒定橫截面的制品。
    3 EP/CF復合材料的應用
    3.1 飛行器的輕型化
    美國從F-14、F-15戰斗機就開始采用EP/CF復合材料,以降低結構質量,提高推力,復合材料占總結構質量的2%-3%。F-18戰斗機中先進復合材料已占總結構質量的10.3%,包括水平尾翼、方向舵、垂直穩定板、減速板等,由F-14和F-15的次承力結構材料逐步向主承力結構材料過渡。F-22戰斗機中復合材料的用量已達到24%,新一代直升飛機的復合材料用量高達65%-80%。用樹脂基復合材料來代替金屬材料制造飛機零部件,可使零部件質量減輕25%-50%,先進復合材料在飛機上的用量及其性能水平已成為飛機先進性的重要考核指標之一。以復合材料在飛機發動機中的應用為代表,美國通用電器-飛機發動機事業集團公司(GE-AEBG)和普惠公司等噴氣發動機制造公司,以及其它一些二次承包公司都在用高性能復合材料取代金屬制造飛機發動機零部件。如發動機艙系統的緊推力反向器、風扇罩、風扇出風道導流片等都用復合材料制造。如發動機進口氣罩的外殼是用美國聚合物公司的EP/CF預浸料(E707A)疊鋪而成,它具有耐177℃高溫的熱氧化穩定性,且表面光滑如鏡面,有利于形成層流。又如FW4000型發動機有80個耐149℃高溫的空氣噴口導流片也是用EP/CF預浸料制造的。
    3.2 輕型機槍槍架
    在輕型自動武器的研制過程中,需要實現的極其重要的戰術技術指標是大幅度減輕武器系統的質量,提高武器的機動性,同時保證輕武器的射彈散布精度,尤其是連發射擊精度,以滿足現代戰爭對輕武器的戰技指標要求。目前,我國在這方面做了大量的工作,已初見成效。如7.62mm重機槍已由53式的40.4kg減輕到67式的15.5kg;12.7mm大口徑高射機槍已由原來的180kg減至W85式的40kg,從而大大緩解了武器威力與機動性之間的矛盾,改善了武器系統的戰術使用性能。
    目前使用的12.7mm大口徑機槍仍較笨重,特別是槍架較重,而要實現大口徑機槍輕量化,提高其機動性,主要靠采用新材料取代傳統材料以及改進槍架結構等措施來實現。利用EP/CF復合材料的高比強度、高彈性模量、高阻尼,以及吸振性好、材料性能的可設計自由度大等特點,可以設計出新型大口徑機槍槍架,既能保持原有機槍的結構動力學特性,又可大幅度減輕質量,獲得了良好的使用效果,從而開辟了樹脂基復合材料在大口徑機槍槍架上應用的新途徑。
    3.3 新型連續抽油桿
    有桿泵抽油是當前國內外應用廣泛的機械采油技術,抽油桿是有桿泵系統中的關鍵部件,也是其中薄弱的環節。因為抽油桿在工作過程中要承受交變載荷、振動載荷、沖擊載荷以及與油管之間的摩擦等多種載荷作用,而且還要經受工作介質中的酸、堿、鹽及沙礫的腐蝕與磨礪,工況十分惡劣。抽油桿失效常會引起油井事故。目前廣泛使用的常規鋼制抽油桿需要大量接箍連接起來才能使用,這些接箍在使用過程中與油管磨損嚴重,常常發生脫扣甚至斷裂,同時接箍會引起活塞效應,加大了運行阻力。此外,鋼制抽油桿密度大,對抽油機提升載荷要求高,而且能耗高。常規抽油桿尤其不能滿足深井采油的需要。CF具有高強度、高模量、質輕和耐腐蝕的特點,且價格穩步下降,是制備新型連續抽油桿的理想材料。以CF增強EP為主要原材料,采用拉擠成型工藝制備的新型連續抽油桿具有連續無接箍、橫截面小和質輕等優點,完全克服了常規鋼制抽油桿的缺點。
    3.4 高精度天線
    隨著我國通訊業的發展,通信衛星日益顯示出其重要地位。通信衛星上的通訊天線系統是其關鍵設備,為了提高通信衛星信號的收發效率,減少信號損失,對衛星天線的制造精度要求很高。衛星天線暴露在環境中,天線材料和天線結構必須經受住空間環境的考驗。CF復合材料因其極小的線脹系數,彈性模量與密度、線脹系數之積的比值遠高于金屬材料,而被天線專家們譽為理想的天線結構材料。復合材料天線反射體的結構形式有夾層結構、薄板(殼)結構兩種。夾層結鉤天線是以一定厚度的內外蒙皮與輕質的蜂窩或泡沫材料為夾芯而形成截面較厚的均質結構,其特點是質輕、剛性好,有較好的抵御應力變形的能力,是保障天線型面精度的較佳結構形式,故多為天線設計者所采用。由于CF復合材料的比強度和比模量都很高,用其制備薄板式天線,強度、剛性遠比鋁質天線高,且薄板式結構的天線面板薄、導熱快,陽光不均勻照射所造成的面、背和側的溫度梯度小,熱應力變形小,更有利于惡劣環境下型面精度的保持。因此,薄板式結構也不失為拋物面天線的一種良好的結構形式。