与传统的金属材料相比,复合材料整体化成型材料可以有效减少零件和紧固件的数量,从而减轻材料质量,降低成本。例如,在F-15和F-16战斗机上,采用复合材料整体化成型技术可将原设计中11000个金属零部件减少为450个,600个复合材料零部件减少为200个,135000个紧固件减少为600个,在实现飞机结构减重的同时缩短了研制周期,特别是大幅度降低了结构的装配成本。
但复合材料整体成型技术也存在技术难题,包括3个方面:①模具问题,整体成型中用到的模具大而复杂,成本较高,要注意分体模和整体模的合理设计。②检测问题,整体成型要求有适应大件无损检测的方法和设备。③材料问题,整体成型技术与胶接材料密切相关,因此要研发高性能的胶黏剂。此外,若使用树脂传递模塑成型还会涉及专用树脂等材料问题。
复合材料整体化成型根据原材料及工艺方法的不同,主要分为预浸料/热压罐成型和预制件/液体成型两大类。
传统的预浸料/热压罐整体成型又分为共固化工艺、胶接共固化工艺和二次胶接工艺3种。
①共固化工艺,将所有未经固化的预浸料毛坯置于成型模具上组装到位,经真空封装后再推入热压罐中,通过一次固化操作完成整体结构的成形过程。共固化工艺可以减少零件成形工作量、组装工作量和机械连接件数量,降低制造成本。
②胶接共固化工艺,将部分预浸料铺层预先固化,而后与其他未经固化的预浸料毛坯或夹芯共同置于成型模具上组装到位,真空封装后推入热压罐中,通过固化操作完成毛坯的成形及毛坯与零件间胶接的工艺。胶接共固化工艺适用于零件先固化后难以再胶接装配的复杂型面结构;
③二次胶接工艺,将已经预固化处理的多个预浸料铺层结构及胶膜共同置于成型模具上组装到位,真空封装后推入热压罐中升温促使胶膜熔化实现零件之间胶接的工艺。
此外,结合自动铺放技术的整体化成型技术已成为航空复合材料结构的首选工艺。例如,F-22战斗机机翼,波音777全复合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮,A380的尾锥,A350XWB的尾锥和C形梁,采用了自动铺丝工艺结合热压罐固化整体成型工艺。
利用纤维缠绕、三维编织及自动铺放成型等技术先获得预浸料铺层结构或增强纤维预成型体,而后充分利用液态成型技术工艺特性,将液态树脂注入预成型体中,促使其进一步与预成型结构一起固化形成整体结构。预浸料铺层主要用于蒙皮结构,干纤维预成型体主要用于筋条、凸台等复杂结构。该工艺可以通过改变预浸料铺层、干纤维预成型体的结构和组合方式,制造复杂形状构件,可以大幅度减少零件、紧固件的数量和装配工序,并且简化了模具设计和树脂充模过程,从而降低了制造成本,减轻了制件质量。此外,预浸料铺层和干纤维预成型体可以根据要求选择不同种类的树脂、纤维和织构形式,从而灵活地设计制件的性能。