复合材料低成本制造工艺与航空应用

10% 修剪
铺贴 52%
件制造工时的一半
17%
封装固化
3%
2020-11-17
12
复合材料成型技术的发展
航空复合材料 结构
主承力 复合材料结构
次承力 复合材料结构
热压罐成型工艺为主，正 在发展非热压罐成型工艺
逐步开始应用 非热压罐成型工艺
VARI液体 真空压力成型工艺
VBO预浸料 真空压力成型工艺
闭模
主要优点：制造高纤维体积含量的大型复杂构型的零件， 保持较高的结构设计效率。
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OOA技术2-VARI
真空辅助树脂渗透成型（Vacuum Assisted Resin Infusion）技术 将按照结构和性能要求制备好的纤维预成型体放置在模具上，在一个
真空作用下使液态树脂在预成型体内流动并浸润纤维，再经升温固化、 冷却脱模得到能够承载的复合材料构件。
聚酰亚胺
AC729RTM
10
9
8
HT-350RTM
PETI330
7
6
5
4
3
2
1
0
240
260
280
300
320
340
360
Temperature/℃
注射温度~280℃
固化温度120℃
固化温度180℃
固化温度200℃ 固化温度350℃
Tg = 120℃ 服役温度~70℃
Tg = 210℃ 服役温度~130℃
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国外OOA技术与应用
东丽
• 2007年制造技术创新计划启 动，非热压罐制造是5个核心 领域之一。建立开发OOA体系 目标，提供可达到热压罐固 化质量水平材料
• ACG公司MTM45-1,-44,46,Cytec公司Cycom X5320, 波音公司评估试验树脂，选 择X5320进行商业化
• 波音制造XX无人机验证机尾 梁和尾翼缩比件
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国外OOA技术的发展-材料体系
成型 工艺
120℃ 树脂体系
177℃ 树脂体系
VARI
Cytec VRM34、 VRM37
Cytec cycom890 PrismEP2400、
HEXCEL HexFlow RTM6
成型 工艺
120℃ 树脂体系
177℃ 树脂体系
VBO
ACG MTM44-
1、MTM45-1
10.0
1.0
0.1
0.2001.400.600.t80e0m.10p0e01r.a20t0u1.r40e01(.°600C.0
注射温度~45℃
环氧树脂-
5284RTM/AC520RT
0.6
M
2days aged
0.5
4days aged
6days aged
0.4
8days aged 10days aged
的气体排出，再经升温固化、冷却脱模得到能够承载的复合材料构件。
VBO工艺优点
ü采用烘箱或模具自加热成型； ü性能接近热压罐成型复合材料 ü模具成本低； ü适宜于大规模模块化生产；
19
一、复合材料航空应用与成本 二、国外复合材料低成本工艺技术 三、航空工业复材低成本制造技术与应用
国外OOA技术的发展-RTM
工艺方法，生产率与 复合材料性能
11
复合材料成本-波音737平尾
复合材料平尾 成本构成5.5架
装配工装 13%
计算 3%
材料 12%
构件生产 46%
劳动工时构成 工程4%支质持2制%控计2造%划1%工程
组装 31%
零件制造 60%
零件制造工时分项
零件工装 26%
其他零件 8%
配套 10%
工装准备
ü复合材料铺贴占零
航空复合材料与低成本
ü虽然复合材料的市场销量增长缓慢往往归因为原材料的高 成本，但材料成本实际上占复合材料构件总成本的8%-10%。 事实上工艺制造成本是总成本中最高的单项成本。 ü过去性能因素推动着复合材料在航空航天中的应用研究， 但近年来成本则起到了更大的作用。 ü这样，开发下一代民用运输机工艺的一个基本准则是低成 本制造的可能性。
，民机次承力结构，并正在向主承力结构的应用方向发展。
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国外新型OOA技术发展趋势-自动铺（干）纤维丝+液态树脂成形
pDAFP技术结合VARI工艺 成型的MC-21客机机翼翼 盒(长约18M)
p俄罗斯的AeroComposit公司在Hexcel和Cytec公司作为其干纤维和与之配 套的树脂供应商的技术帮助下，开发干态丝束铺放技术和真空下树脂灌注 非热压罐固化成型技术结合(专利）。在民机大型主承力结构（机翼翼盒包 括机翼上/下壁板，前/后梁和中央翼盒）上验证，预计可获得实际应用。 （据介绍，成本低30%（与传统热压罐成型相比））
手工工艺
热压罐成型
预浸料
数字化、自动化制造
模压成型
非热压罐技术特点
热压罐成型：
非热压罐成型：分2类
优：提供温度+较高压力， Ø材料为干态纤维(包括多层织物
保持树脂固化后的密度， (NCF)、缝合、3维编织）+树脂（ 提高复合材料内部的密实 液体状态）(液态成型）
，减少空隙率或（含胶接 典型技术：VARI(又称MVI),RTM
p国外大力发展低成本的复合材料非热压罐成型技术； p非热压罐成型技术已应用于民机次承力结构，并正在向主承力结
构的应用方向发展。 13
预浸料/热压罐成型复合材料技术
• 预浸料/热压罐成型技术是目前航空复合材料制造的主流制 造技术，技术成熟；
• 加工工艺，由手工铺贴工艺发展为数字化和自动化制造-即 纤维自动铺放（AFP)
ü新基体树脂的适用于真空
成型技术的预浸料 ü飞机一级结构部件(尾翼部 件的模拟件) ü(与传统预浸料热压罐成 型的部件相比)冲击后压缩 强度和拉伸强度等性能基本
一致，孔隙率极低。
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国外00A技术发展与应用-VARI
VARI成型B787机翼活动面
VARI成型A380襟翼
pB787及A380应用了VARI液体真空压力成型技术
复合材料低成本制造工艺与航空应用
中国航空制造技术研究院复合材料技术中心 中航复合材料有限责任公司 廖子龙
2020年11月 上海
一、复合材料航空应用与成本 二、国外低成本复合材料工艺技术 三、航空工业复材低成本制造技术与应用
一、复合材料航空应用与成本 二、国外低成本复合材料工艺技术 三、航空工业复材低成本制造技术与应用
VARI工艺优点
ü设备投入及制造成本较低； ü适合大型结构的整体成型； ü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； ü可设计性好，可实现结构简单 化。
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OOA技术3-VBO
预浸料真空压力成型（Vacuum-Bag-Only-Curable Prepregs）技术 制备好的预浸料预制体放置在模具上，在一个真空作用下将预制体内
10
复合材料工艺方法、性能与成本
ü据国际复合材料协会的统 计，在航空复合材料结构 制造的综合成本中，材料 15%，铺层25%，装配45%， 固化10%，紧固件5%。
ü在低成本技术中，最先关 注的降低固化技术成本问 题，演绎出所谓的“非热 压罐”（out of autoclave，OoA)成型制造 技术。
• “更快，更好，更便宜”制造方法，结合非热压罐固化 复合材料，3D编织预形体，胶接等技术。
• 复合材料机体制造或装配只使用极少的工装。一次性工 装成本减少超过50%，重复性装配成本减少15%。
9
787复合材料用量50%与设计、制造 减少零件，显著降低装配成本
ü一体化设计，成型复合材料机身，机翼；制造成本降 低20%。机身段省去1500件铝合金板块零件，4-5万个 链接件，维修成本节省30%
合材料在航空上的应用
Airbus A350
p复合材料成为民用客机的主要结构材料
p低成本制造技术成为影响复合材料进一步扩大应用的主要因素
4
复合材料在航空上的应用
先进复合材料应用发展三个阶段：次承力结构中的应用阶段 （1980年代中期之前）、从次承力结构向主承力结构发展 （2000年）和复合材料在飞机结构中大规模应用 。
）弱胶接。
Ø材料采用预浸料(树脂具有在低压
缺：1.高昂的设备投入（含
维护）成本。2.能源消耗 大。
下固化的特征)，使用烘箱（房） 或模具自加热，提供温度+1个大 气压（真空压力）
典型技术：VBO（烘房成型）
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复合材料液体成型技术LCM
• 主要有RTM,真空铺助树脂渗透成型VARI, 树脂膜融渗成型RFI技术为代表的复合材 料成型工艺技术。
25
OOA技术发展与应用-小结
ØVARI(MVI)为代表的低压（真空压力）液态树脂成型 技术，RTM为代表的液态成型技术已在航空复合材料 零件获得大量应用，技术成熟。 Ø自动铺（干）纤维+树脂液态真空灌注成型技术，结 合自动纤维铺放（先进自动化与数字化制造）和非 热压罐成型（低成本制造）技术，正在在主承力结 构验证，是未来发展的重点方向。 ØVBO延用了传统的预浸料+热压罐制造工艺方法，采 用真空压力固化成型，具有低成本的显著优势，在 小型通用飞机主结构上获得应用。
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一、复合材料航空应用与成本 二、国外低成本复合材料工艺技术 三、航空工业复材低成本制造技术与应用
中航复材的非热压罐技术-材料体系
材料与制造工艺技术基础-RTM树脂
Viscosity / Pa s
Viscosity (mPa.s)
Vistosity/Pa.s
viscosity (Pa.s)
环氧树脂3266RTM/BA9912
1990 1995 2000
2005 2010
扰流板
（非承力结 构）
尾翼（次承力结构）预研
尾翼结构型号应用，新型号次 承力结构推广应用复合材料
机翼，机身（主承力结构）预研
新型号主结构采用
复合材料
7
航空复合材料低成本途经
途经 设计技术 原材料
制造工艺
自动化技术
具体方案 整体化（共固化，共胶接技术，减少零件数 和装配工时） 高强中模的碳纤维，韧性高的树脂体系，适 合低成本工艺的树脂（如00A)
• LCM技术是采用干态纤维、织物制备的预 制体，结合编织，缝合等工艺实现结构的 整体化（三维增强），达到结构整体化（ 减重），降低制造成本。
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OOA技术1-RTM
树脂传递模塑（Resin Transfer Molding)技术
在压力注入或外加真空辅助条件下，液态树脂在闭合模 具里流动并排除气体，同时浸润干态纤维预成型体，加热 固化，得到制品。
委员会相信，在可预见的将来，发展趋势是不断开发低 成本的制造工艺。
---摘自1996年 美国先进民用飞机新材料专业委员会编制《下一代民用运输 机用的新材料》
6
低成本之路
所有计划的核心： 买的起的复合材料，Affordability
ACEE
ACT
TANGO ALCAS
CAI AST
1970 1975 1980 1985
• RTM应用技术已十分成熟，据介绍XX上，占非蒙皮复合材 料结构重量约45%的（360件）承载结构用RTM技术制造。
• 随着RTM技术的逐渐成熟和推广应用，从成本分析发现， 降低装配成本，铺层成本和紧固件（连接）成本可以获得 更大的低成本发展空间。
• 在此认识的基础上，发展了航空复合材料结构一体化技术 ，以XX为例，600个复合材料零部件减少为200个，13.5万 个紧固件减少为600个，其直接获益是减（重）量化，提 高制造效率，特别是大幅度降低装配成本。
以热压罐工艺为主体一体化成型，部分采用 RTM,RFI,VARI等成型工艺
纤维或预浸料的自动铺放，ATL/AFP及配套的 自动下料，自动切割（提高工效和降低废品 率）
8
CAI技术应用
• 在CAI（复合材料经济可承受计划）的成果支持下，美 “快速机体生产集成验证”（RAPID）验证低成本制造 和装配机体的方法。
12days aged
0.3
0.2
0.1
0.0
60
80
100
120
Test Temperature / C
注射温度~80℃
双马树脂
8911Ⅳ/6421RTM
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
60
80
100
120
140
160
180
Temperature (oC)
注射温度~110℃
Cytec
Toray 25111T、 cycom5320
PARK E765、 HEXCEL
E761
HexPly M56
IM3、IM7及T300、T700、T800级 织物及干态预浸丝束
IM3、IM7及T300、T700、T800 级碳纤维丝束
p发展适应非热压罐/真空压力成型技术的材料体系； p非热压罐/真空压力成型技术已应用于通用小型客机的机体主承力结构
Tg = 260℃ 服役温度~150℃
Tg = 415℃ 服役温度~350℃
中航复材的非热压罐技术-材料体系
材料与制造工艺技术基础-树脂体系
成型 120℃ 工艺 材料体系
180℃ 材料体系
成型 120℃ 工艺 材料体系
180℃ 材料体系
VARI
BA9912、 5284VARI、