第二章 复合材料飞行器构件的 制造（一）12.1 复合材料预浸料的制造2.1.1 概述预浸料又称模塑料，是用树脂基体在严格控制的条件 下浸渍连续、短切纤维或织物，制成树脂基体与增强体的 组合物，是制造复合材料的中间材料。其某些性质直接带 入复合材料中，是复合材料的基础。复合材料的性能在很 大程度上取决于预浸料的性能。预浸料是具有一定力学性 能的结构单元，复合材料设计师可用以进行结构设计。预 浸料又是制造结构件的原料，复合材料工艺工程师可直接 用以制造各种复合材料构件。预浸料的优劣关系到复合材 料的质量。因此，预浸料对复合材料的应用和发展具有重 要意义。2预浸料从20世纪40年代末期开始采用，但在很长一段时间没有给予足够的重视使其发展较慢。只有到了20世纪60年代末70年代初，高性能增强纤维如碳纤维、芳纶等的相继问世，预浸料才受到重视，有了长足的发展。随着增强纤维性能的不断提高，促进了预浸料的研究和开发，工艺技术日趋成熟，应用范围不断扩大。到了20世纪80年代，世界上大部分碳纤维都是以预浸料的形式应用的。3近年来，新型高性能热塑性树脂的出现，使复合材料的 某些性能得到进一步提高，但因熔点高、熔融粘度大，没有 合适的低沸点溶剂可溶，给预浸料的制造带来一系列新问题 ，需要引入新概念、采用新工艺，于是开发了许多新的预浸 料工艺方法。目前预浸料制造已成了一种专门的工艺技术， 由专业化工厂进行生产，制造技术有了很大提高，质量控制 得到加强，实现了工艺过程的自动化，以保证产品的稳定性 。另外，预浸料品种多样，能够满足不同成型方法对各类预 浸料的要求。虽然预浸工艺和树脂体系配方仍是各公司或厂 家的专利，但是，不同规格、品种，不同性能的预浸料已商 品化，可以适应国防工业乃至国民经济各个部门的应用。42.1 复合材料预浸料的制造 2.1.2 对预浸料的基本要求及其基本特征和原材料（1）对预浸料的基本要求预浸料的一些性能基本上原封不动的带到复合材料及其 构件中，是复合材料性能的基础，复合材料成型时的工艺性 能和力学性能取决于预浸料的性能。通常对预浸料的主要要 求如下： uu树脂基体和增强体的匹配性好树脂基体和增强体的匹配性好 即增强体表面经过处理和 树脂基体相容，以使复合材料有优良的层间强度。 uu具有适当的粘性和铺设性具有适当的粘性和铺设性 粘性不宜太大，以便铺层有差 错时可以分开重新进行铺贴而预浸料又无损坏；粘性也不能 太小，以使在工作温度下两块预浸料能粘贴在一起不致分开 。复杂形状或曲率大的构件，要求预浸料在一定的外力作用 下，能服贴地粘贴在模具上，去掉外力也不会反弹与模具脱 开。5uu树脂含量偏差应尽可能降低树脂含量偏差应尽可能降低 至少控制在3以内，以 保证复合材料纤维体积含量和力学性能的稳定性。对于非吸 胶预浸料尤其是这样，希望树脂含量偏差能控制在士1以内 。 uu挥发成分含量尽可能小挥发成分含量尽可能小 一般在2以下，以降低复合材 料中的孔隙含量，提高复合材料的力学性能。主要承力构件 预浸料的挥发成分含量要求控制在08以下。 uu具有较长的贮存寿命具有较长的贮存寿命 通常要求室温下的粘性贮存期大于 1个月，-18下大于6个月，以满足复合材料铺贴工艺和力学 性能要求。 uu固化成型时有较宽的加压带固化成型时有较宽的加压带 即在较宽的温度范围内加压 ，都可得到满意的复合材料构件而对性能无明显影响。 uu有适当的流动度有适当的流动度 层压件流动度可以大一些，以便树脂均 匀分布并浸透增强材料；夹层结构流动度应比较小，以使面 板和芯材能牢固地结合在一起。 6（2）预浸料的基本特点uu可以正确控制增强体的含量和排列。可以正确控制增强体的含量和排列。由于在预浸过程中 准确控制了树脂含量，固化时树脂流出很少，可以得到精度 很高的成品。uu是干态材料，容易铺层。是干态材料，容易铺层。制品可以局部加强，通过改变 预浸料层数，能够制得不同厚度的制品。uu制品表面精度高。制品表面精度高。由于浸渍完全，预浸料中无气泡，因 此，制品表面光洁，质量高。uu预浸料作为中间材料有利于文明生产和安全生产。预浸料作为中间材料有利于文明生产和安全生产。uu对树脂有一定要求，选择范围较窄。对树脂有一定要求，选择范围较窄。通常在室温应是半 固态到固态，粘度小的树脂尚需增粘。溶液法制预浸料树脂 应能溶于常用低沸点溶剂中。uu制造工序较多，价格昂贵。制造工序较多，价格昂贵。7（3）预浸料的原材料预浸料的原材料包括增强体和基体，主要辅助预浸料的原材料包括增强体和基体，主要辅助材料是离型纸和压花聚乙烯薄膜。材料是离型纸和压花聚乙烯薄膜。预浸料用增强体主要是碳纤维、芳纶、玻璃纤预浸料用增强体主要是碳纤维、芳纶、玻璃纤维及其他们的织物。其他纤维如硼纤维、碳化硅纤维及其他们的织物。其他纤维如硼纤维、碳化硅纤维等在目前结构复合材料中使用较少。维等在目前结构复合材料中使用较少。预浸料用树脂基体包括热固性树脂和热塑性树预浸料用树脂基体包括热固性树脂和热塑性树脂两大类。脂两大类。892.1 复合材料预浸料的制造 2.1.3 预浸料的制备工艺制备预浸料即用树脂浸渍纤维(或织物)的过程，采用的工艺方法很多，随树脂基体类型不同而异。热热固性树脂基体预浸料固性树脂基体预浸料的制备已有多年的历史，方法比较成熟。而热塑性树脂基体预浸料热塑性树脂基体预浸料制造技术发展较晚，因树脂熔点高、熔融粘度大，没有适当的低沸点溶剂可溶，和热固性树脂基体预浸料的传统工艺方法有明显的不同，目前大都处于研究阶段。10热固性树脂基体预浸 料的制备目前主要采用两 种工艺方法，即溶液浸渍溶液浸渍 法法和热熔法热熔法。 1)1)溶液浸渍法溶液浸渍法 溶液浸渍法 是把树脂基体各组分按规 定的比例，溶解于低沸点 溶剂中，使其成一定浓度 的溶液，然后将纤维束或 织物以规定的速度通过树 脂基体溶液，使其浸上定 量的树脂基体。该法必须 有除去溶剂的工序，并通 过加热使树脂基体处于B阶 段，得到合适的粘性。（1）热固性树脂基体预浸料的制备112)2)热熔法热熔法热熔法是在溶液浸渍法的基础上发展起来的，以免去溶液浸渍法因溶剂带来的诸多不便。这一方法是预浸料制备工艺的一大进步，正迅速得到推广和应用。目前发达国家的专业化预浸料公司大都采用热熔法制备预浸料，特别是主承力结构用的预浸料。 u直接热熔法(一步法)u膜胶压延法(两步法) （1）热固性树脂基体预浸料的制备122)2)热熔法热熔法 u直接热熔法(一步法)将树脂基体置于胶槽中，加热到一定温度、使树脂熔融，然后 将纤维束依次通过展开机构、胶槽、几组挤胶辊、重排机构最后收 卷。该工艺要求树脂基体有良好的流动性，在不高的温度下呈流动 态，有利于浸润纤维。该法主要用于制备粗纱或窄带预浸料，作缠 绕构件用。通常预浸料树脂含量低、控制精度高。如直升机桨壳系 统夹板用单向粗纱预浸带，树脂含量23，控制精度土1。（1）热固性树脂基体预浸料的制备132)2)热熔法热熔法 u膜胶压延法(两步法)一般包括制膜和预浸两个步骤。制膜工艺是先将树脂基体置于混合器中充分混合，待加热到最 佳涂膜温度后，用电动机驱动的计量泵或通过压力将树脂基体输送 到涂胶辊，调节涂胶辊的间距和离型纸的运行线速度，可以制得不 同厚度的胶膜。用射线仪检测胶膜的厚度或胶膜的面密度，通过 冷却板降低胶膜的温度，尽量减少其固化程度，随后收卷、包装， 存放于冷库待用。（1）热固性树脂基体预浸料的制备142)2)热熔法热熔法 u膜胶压延法(两步法)一般包括制膜和预浸两个步骤。预浸过程是从纱架引出纤维，调节张力后，通过蓖子集束、展 平到规定的宽度，从上、下胶膜辊引出预先制好的胶膜，并和纤维 形成夹芯结构，依次通过几组热压辊，使树脂基体熔融，纤维嵌入 树脂基体中。经过冷却段、降低预浸料温度和覆盖聚乙烯薄膜后， 切边、收卷，制得预浸料。（1）热固性树脂基体预浸料的制备15（1）热固性树脂基体预浸料的制备热熔浸渍法的优点: n工艺过程线速度大、效率高； n树脂含量容易控制； n没有溶剂，预浸料挥发成分含量低，工艺安全； n不需要干燥炉、减少了环境污染； n制膜和浸渍过程可以分步进行，减少了材料特别是昂 贵增强材料的损失； n预浸料的外观质量较好。缺点:厚度大的预浸料特别是织物难于浸透，高粘度的树 脂难于浸渍，离型纸和薄膜用量较大。 16（1）热固性树脂基体预浸料的制备溶液浸渍法和热熔浸渍法各有利弊，可以互相补 充，将会长期同时存在，以适应不同要求。但是，趋 向于热熔法使用愈来愈多。国外对热熔法制备预浸料 实现了工艺过程的自动监控，在制膜阶段采用计算机 控制胶膜厚度，保证了树脂含量的均匀性，控制精度 可使预浸料树脂含量偏差在土2。17（2 2）热塑性树脂基体预浸料的制备）热塑性树脂基体预浸料的制备工程用高性能热塑性树脂一般熔点较高，超过300。熔融粘度大，而且粘度随温度的变化很小，给热塑性树脂基复合材料的 成型工艺带来很大困难，制造热固性树脂预浸料的常规方法通常 不能用于制造热塑性树脂预浸料。于是，热塑性树脂基体预浸料 的制备就成为热塑性树脂基复合材料研究极为重要的课题。近20年来，国内、外开展了大量研究工作，采取了多种工艺方法，获 得了不少成果。 溶液浸渍法 泥浆法 热压工艺 热熔法 纤维混杂法 粉末浸渍工艺法 薄膜层叠法 包缠纱法 熔体注射预浸渍法 水溶液泡沫预浸工艺 包粘法182.2 复合材料制品的成形方法2.2.1 复合材料常用的成形方法概述手糊成形湿法成形 真空袋压法成形 压力袋压法成形树脂注射和树脂传递成形热胀成形真空辅助树脂注射成形 (VARTM)离心浇铸成形夹层结构成形 模压成形注射成形喷射成形纤维缠绕成形连续板材成形 层压或卷制成形 热塑性片状模塑料热冲压成形纤维铺放成形19复合材料制品成形的基本步骤(1)增强材料的整个表面必须涂敷基体。它可用许多方法，包括浸渍、涂刷或喷涂，或用纯树脂，或用聚合物溶液。有时可以往隔离剂薄膜上涂聚合物，并使两者通过加热的滚子将聚合物转移到增强材料上。2.2.2 复合材料制品成形工艺流程预浸料 20复合材 料制品成形的基本步骤(2)纤维必须以合适的方向按正确的比例铺 放，以承受作用在制品上最不利的应力 。为了承受应力，纤维的取向必须严格 确定。铺层的详细程序由设计者提供给 铺叠组合人员。 结构设计受力分析纤维走向铺层优化21复合材料制品成形的基本步骤(3)完成的铺层强行贴到合适的模具 表面加以成形。在需要精确外形的 场合，使用阴模；在需要精确内部 尺寸的场合，则使用阳模。22复合材料制品成形的基本步骤(4)在基体流动一段时间之后，使其变硬或 固化，复合材料就获得了最终形状。固 化靠加热与加压完成，或由引起化学交 联的合适的化学媒剂完成。对于热塑性 复合材料，一旦热量与压力引起足够的 流动，单靠冷却下来就足以使基体变硬 。23工装零件剥离层隔离层吸胶层阻挡层透气层真空袋用于真空袋压法成形的材料铺设：阳模 阴模档料圈24剥离层剥离层：放在层压件的顶上或下面，胶接或喷 漆前将其去掉，以保持零件表面清洁。编织纤 维布、尼龙、聚酯或玻璃纤维。吸胶层：固化时吸收多余的树脂，保证所要求 的纤维含量。玻璃纤维织物等。阻挡层：铺在吸胶层和透气层之间，控制零件 的树脂渗出量。环氧树脂薄膜。透气层：保证真空压力均匀施加在铺贴件上， 让溢出的挥发物和空气渗出。挡料圈：减少边缘渗胶、防止零件边缘变圆。 工装的一部分或氯丁橡胶软压敏胶带、硅胶等25生产流程： 树脂增强材料成形模具固化剂促进剂填料颜料纱布毡脱模剂胶液配制处理模具准备半成品加工原材料准 备 工 作成形工序26成形作业固化脱模加工，修饰检验制品成形模具成形工序修整及检验成品272.2.3 手糊成形手糊成型、喷涂成型和铺层成型均属于低压成型方法。低压成型技术是复合材料物料或预浸料在常压