非热压罐预浸料工艺

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欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 高性能复合材料在要求同时具有质量轻和高强度的应用领域毫无疑问地赢得了重要地位。然而，这种材料必须比现有工艺的成型速度更快，成本更低。 预浸料的问世避免了一度成为标准工艺的、冗长的手工湿法手糊工艺，并且可以改善产品质量和一致性。因此，产品固化环节成为整个生产过程的焦点，特别是如何避免使用热压罐固化，因为购买和使用热压罐的成本都非常高。于是既可以加快生产速度、节约成本，又可以使产品保持与热压罐工艺相同质量的非热压罐（OoA）工艺成为复合材料行业的新宠。 代替热压罐的方法包括：真空袋法、滚压法、压力袋法。其中，真空袋法最受关注。该工艺是在抽真空的情况下形成最大为1个大气压的压力，在固化炉或加热模具上固化成型高质量产品，而不像传统热压罐法，所需压力几乎要达到10个大气压。这就要求预浸料能够在低温、低压条件下固化，生产出高质量产品。 早期曾试图在固化炉中成型几乎没有改性的热压罐成型用预浸料，但是没有取得成功。于是工程师们开始致力于开发可以在低温下固化的树脂体系，固化温度通常低于100℃。这种第一代OoA预浸料只适用于制作原理样机和便宜的模型。然而，用21世纪初开发的OoA体系可以生产出高质量无孔隙的产品，可以与热压罐工艺相媲美。 根据瑞典联邦技术研究院机械和工艺工程部的Bryan Louis介绍，这种低孔隙率特性非常关键。他说，材料制造商花了很多年研究空气和气体的束缚机理，以及如何在真空固化成型时驱除它们。现在很明确，与热压罐工艺通过压力将空气和可挥发性物质在树脂凝胶时压入树脂液中相比，OoA方法是在凝胶前，在很低的压力下（如1个大气压）将空气和挥发性气体赶出。这就要求预浸料具有透气性，且树脂在凝胶前能保持足够的空隙。因此，合理调整树脂体系的流变性至关重要。 材料的物理组成也非常重要。开发人员尝试了多种材料构造方式，包括通过部分预浸玻璃纤维毡而形成空气通道。剩下的干燥区域只在树脂胶凝开始时才被浸渍。 行业先锋 Umeco旗下的先进复合材料集团（Advanced Composites Group，简称ACG）在开发OoA预浸料工艺上做了很多工作。ACG意识到，开发固化温度低于热压罐温度（180℃）的树脂体系对于采用技术水平相对较低的固化炉或加热模具来取代热压罐而言非常关键。然而，这样会导致最终产品的性能略有下降。 ACG是开发低温成型预浸料的先驱。他们的LTM®低温成型预浸料在几个重要项目中得到应用，如：美国X系列样机、著名的波音X45A和X34及诺斯罗普·格鲁门公司（Northrop Grumman）的X47A无人战机。LTM预浸料可以在40℃的低温下固化，如果在初步固化后进行后固化处理，制品的玻璃化温度Tg可达180℃。LTM还用于汽车车身板、赛艇、风力发电机叶片、模具和基础设施。第三代LTM产品LTM310是一种适用OoA固化成型工艺的很好的模具材料，而第一代和第二代LTM在用于模具制作时通常需要通过热压罐固化。尽管初始固化温度只有65-70℃，LTM310的最高使用温度可达180℃。 应用研发高级工程师David Bashford称，该公司研发的其他用于OoA工艺的预浸料可以达到航空要求，如空客A350XWB客机的副翼板。在航空领域最受欢迎的是ACG的中温固化预浸料（MTM），固化温度约为90℃。例如，MTM45-1是一种第二代增韧环氧树脂体系，在90℃固化后，再进行后固化处理，Tg可达185℃。这种材料已经用于维珍银河/Scaled Composites公司的“太空船二号”和“白色骑士二号”，据说是采用OoA固化的最大航空结构件。制品的孔隙率小于0.5%。 该公司的另一产品是可变固化温度系列预浸料（VTM?），适用于在65℃-120℃用OoA工艺固化。在21℃下，这种预浸料的储存期可以达到21~28天，非常适合生产大型结构部件。这对于生产高质量的海上赛艇和快艇的壳体和甲板结构非常有利，可以采用加大型固化炉，从而摆脱热压罐的限制。阿灵基队（Team Alinghi）在2003年美洲杯的挑战赛中采用了VTM264碳纤维单向环氧预浸料赛艇。VTM也被用于制作限量版超级赛车的车身板和道路桥梁支柱。 Bashford列举了OoA的潜在优势，包括：避免采用热压罐从而节约成本，节省能源，提高生产效率，生产灵活，可生产超大型制品，减少夹心结构中芯材塌陷和压实，降低模具成本。因此，在未来几十年里，OoA预浸料在复合材料中的应用将不端增长。仅仅在航空领域，已经有很多积压的新一代燃油经济型飞机订单。而风能、船舶、汽车对复合材料的需求也不端增长。 “如果预浸料在复合材料中使用的预期增长率为10%-15%，”Bashford说，“那么，将没有足够的热压罐可以满足生产需求。投资成本将会高不可及，更会让热压罐随处可见”。 有趣的是，另一家OoA技术的领先企业氰特工程材料公司（Cytec Engineered Materials）已经完成了对Umeco结构材料（Umeco Structural Materials）的收购。在过去十年中，氰特公司的CYCOM 5215材料获得了与热压罐成型预浸料相近的性能。然而，美国航空航天和国防界认为，在生产大型部件时，这种材料的储存期还不够长。但是氰特公司用它的CYCOM 5320产品进行了回应，该系列的使用期（outlife）至少有30天。CYCOM 5320 OoA材料在美国的展示项目中得到广泛评价，并被庞巴迪公司选择用于其最新型喷气式商用飞机Learjet 85的机翼和机身。 原材料生产商固瑞特公司（Gurit）的复合材料成型工艺经理Chris Bunce说，OoA预浸料与公司要求通过材料、工艺和储存环节降低成本的需求一致。但这种低温低压固化工艺虽然非常重要，却也并非唯一的需要。 “过去，限制OoA预浸料广泛应用的因素包括有限的使用期、操作问题、成本太高、需要控制储存温度等。”Bunce解释说，“过去几年我们已经突破了这种障碍。目前，我们有一种材料正在测试中，其室温储存期有望达到5-6个月，无需冷藏，节省了标准预浸料储存的主要费用。” 用于风电和船舶的预浸料是固瑞特尤其擅长的产品，可以满足100℃以下的固化要求。例如，SE70和SE85材料的目标市场是船舶制造，固化温度为设计所推荐的70℃和85℃。这种材料需要添加一种先进的催化剂，这会增加一些成本，但是造船厂对这种预浸料所带来的低成本成型工艺非常欢迎。类似地，SparPregTM材料用于风电叶片可以生产高质量玻璃纤维、碳纤维混合单向横梁盖，固化温度为80℃。 Bunce介绍说：“一个最大的问题就是放热。特别是风电叶片，其局部非常厚，环氧树脂固化时由于加热速率失控，固化产生的热量会影响固化周期。我们努力开发低固化温度、低放热树脂体系。在今年的JEC展览会上，我们推出了可以在100℃快速固化的Velinox改性环氧树脂。”这种低放热树脂基预浸料允许固化时采用快速加热方式升温，从而缩短生产周期。在固化过程中保持中等温度，以控制合理的放热量。而且，这种预浸料可以在35℃储存，无需冷藏。” 固瑞特也有一种控制孔隙率的新方法。Bunce说，大部分空隙存在于层间，由预浸料铺层时带入。通常通过低温铺层、降低黏性来降低材料粘性。这就要求生产场所配置空调，从而导致增加成本。为了解决这一问题，固瑞特开发了一种AirstreamTM技术，在预浸料表面涂覆一层特有涂层，以减少预浸料表面粘性，并在固化前将内部束缚的空气排出。在固化时，涂层会被复合材料所吸收。 2012年7月在美国亚特兰大国际风能大会（Wind Power 2012）上，固瑞特推出了一种结合了Airstream和SparPreg技术的预浸料。这样，叶片制造商就可以用高性能玻璃纤维和碳纤维制造高性能单向横梁盖。这种体系在不使用冷法成型、不采用热压罐固化时，也可以生产低孔隙率产品，省略了其他繁杂的工序，提高了生产速率。固瑞特公司认为，通过改进OoA工艺，增加了预浸料与灌注工艺的竞争力。 固瑞特近期推出的另一种OoA预浸料是RENUVOTM。它是专为风力发电叶片和其他结构件的修复而研发的。采用的是一种可以在大功率紫外灯照射下，几分钟内就可以固化的专用树脂，因此，技术人员可以在现场修复产品。 总部位于美国的复合材料公司赫氏（Hexcel）也认为OoA预浸料是一种理想的技术。2012年，公司研发经理Chris Shennan博士在美国圣地亚国家实验室的风电叶片厂（Sandia Wind Turbine Blade Workshop）所做的报告中介绍说，其固化温度可以降至70-80℃，放热低于100J/g，使得玻璃纤维和碳纤维预浸料非常适合于叶片生产。在热压罐不适于生产大型叶片的情况下，OoA预浸料工艺比灌注工艺更具有竞争力。尽管现有的树脂对碳纤维也能充分浸渍，然而合理的材料铺层设计可以将孔隙率将至最低。Chris Shennan说，这种预浸料甚至可以用于生产非常厚的结构部件。 赫氏说，OoA预浸料已经获得航空航天界的认可。他们专门用于OoA工艺的Hexply® M56预浸料，提供多种增强材料种类，既可用于夹芯结构，也可用于单一结构。采用真空袋（VBO）固化的专门树脂，增强材料包括碳纤维单向带、碳纤维或玻璃纤维织布，以及金属网。室温下储存期为30天，-18℃的储存期为12个月。 利用OoA预浸料工艺所生产制品的纤维含量只略低于热压罐固化制品，都超过50%。赫氏公司表示，他们的Hexply产品已经在自动铺放（AFP/ATL）实验中获得成功，实验证明，该材料可以被充分浸渍，并且具有透气性表面。自动化生产在长周期生产中的运用似乎必将成为一种趋势，它既可以保证质量的一致性，也可以缩短生产周期，一旦初期投资成功收回，生产也将更具经济性。 飞机制造商推动工艺发展 航空航天领域对层压质量的要求最高，因此，热压罐成型工艺仍有需求，尤其是考虑到在热压罐建设中早已投入的大量资金。然而，飞机制造商和零部件供应商们仍希望复合材料成型工艺能够向快速、低成本的方向发展，他们也都在朝着这个方向努力。波音和空客都支持OoA技术。在过去十年里，波音公司为开发可以与热压罐固化工艺媲美的非热压罐固化预浸料技术提供了资金。所生产和测试的部件包括用CYCOM 5320生产的无人机（UAV）结构件，以及用Umeco/ACG的MTM-45预浸料生产的先进复合材料货运概念机（Advanced Composite Cargo Aircraft）18m长的全复合材料机身部件。 目前，在英国Bristol空客公司的非热压罐工艺项目负责人David Inston说，空客公司将继续致力于OoA技术的开发。Umeco公司的MTM44-1已经通过了审核，并被选用于A350 XWB飞机的机翼结构。 航空业的一级供应商认为，OoA工艺是复合材料用量达到60%-70%的下一代商用飞机所需要的快速、灵活的复合材料生产技术。其中，GKN航空公司（GKN Aerospace）认为，采用OoA真空技术不用花费很多时间来等待热压罐固化大型部件，提高了工厂的生产效率。 这种技术可以使生产周期缩短80%。GKN正在用Umeco/ACG的MTM预浸料开发微波固化工艺，即只加热复合材料，不加热模具和固化炉，既节省了升温和冷却时间，又节约了能源。 注意事项 尽管OoA预浸料工艺正在不断成熟，并得到认可，但是不能对其进行过度宣传。例如，真空袋成型工艺的复杂性就容易被忽视。 一位资深业内人士告诉我们：“这种工艺不是简单地将真空袋盖在铺层上，然后连上真空泵就可以了，还要注意很多其他材料的使用。不仅需要真空袋和密封带，还需要脱模剂、脱模布、透气毡和导流层等。以上这些都要求仔细操作，而且还很有可能得重复使用。然后，需要时间进行固化和压实。通常要先将第一层与模具贴实，然后再每隔三至五层压实一次。” “产品在固化炉中的升温速率取决于产品的厚度和预期的放热温度。每次固化都需要有足够的保温时间来确保模具和制品的温度一致，然后再以合适的速率进行降温。所有这些工作都会延长生产周期。精确的温度控制非常重要。必须用热电偶进行多点温度监控。” 另外一个与时间有关的是材料从冷藏室（-18℃）取出，并让材料慢慢加热到室温，防止聚合反应发生的使用时间。 总而言之，业界一致公认非热压罐预浸料工艺为缩短复合材料生产周期，降低生产成本作出了重要贡献。其成型质量与热压罐固化成型的产品质量之间的差距正在缩小。(end)

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