夹层结构复合材料芯材制造技术

夹层结构复合材料芯材制造技术夹层结构复合材料具有典型的高比强度、高比刚度的特点，其结构设计方案是将面板的高强度和高模量与夹芯的低密度和高刚性有机结合起来，在航空、航天、船舶、轨道交通和电子等领域中有着极其重要的应用价值。目前应用到夹层结构复合材料中的芯材主要是芳纶纸蜂窝、铝蜂窝和合成泡沫。芳纶纸蜂窝制造技术芳纶纸蜂窝包括间位芳纶纸蜂窝及对位芳纶纸蜂窝，由美国杜邦（DuPont）公司先后研制成功的间位芳纶纸和对位芳纶纸制备而成，具有高强度、高刚度、低密度、良好的自熄性能、优异的绝缘性能以及优良的化学惰性等特点，已大量应用于航空航天结构和功能复合材料以及具有特殊要求的其他领域中。芳纶纸蜂窝的广泛应用，推动了芳纶纸国产化的进程，目前国内烟台美士达特种纸业公司、深圳昊天龙邦公司和华南理工大学等单位先后突破了纤维原纤化和纤维在浆粕中分散等关键技术，制备出了YT系列间位芳纶纸、HKD和PTF系列对位芳纶纸，可小批量稳定生产。用这几个系列国产芳纶纸制造的芳纶纸蜂窝已在多个型号上得到应用，实现了芳纶纸蜂窝主要用原材料国内自主保障的目标。芳纶纸蜂窝芯是由芳纶纸经过涂胶、叠合、热压、拉伸定性、浸渍树脂、固化和片切等工序加工制作而成的夹芯材料，目前主要的芳纶纸蜂窝芯的制备工艺流程如图所示。涂胶技术在芳纶纸蜂窝的制备工艺中，涂胶工序是制备芳纶纸蜂窝的关键工序，对蜂窝的孔格规整性以及节点强度有着至关重要的影响。中航工业复材先后研发了两台宽幅自动涂胶机，能够在36英寸宽度的芳纶纸进行涂胶，并实现了胶液自动循环，胶液黏度自动检测，自动收卷等功能，降低了生产成本，保证了蜂窝孔格规整性，工作效率得到大幅度提升。叠合技术叠合定位的准确性与芳纶纸蜂窝孔格的规整性有密切的联系，中航工业复材自主研发了国内第一台自动叠合机，采取图像定位方法，提高了胶线定位的准确性，精确度在±0.05毫米之内，相比人工叠合蜂窝的孔格规整性大大提高。此外，自动叠合的速度可达到360张/小时，是人工的1.5倍左右。自动叠合技术既提高了叠合的精确性又提高了生产效率，是保证芳纶纸蜂窝生产高效性和质量稳定性的关键技术。大高度蜂窝拉伸定型技术在蜂窝拉伸定型工序，中航工业复材自主研发了可拉伸36英寸高度的蜂窝的拉伸机及工装，配合垂直送风烘箱，采用接近芳纶纸的玻璃化转变温度的高温定型工艺，取得了良好的定型效果，改善了蜂窝使用的尺寸稳定性，而且蜂窝浸胶后无须采用工艺装备即可进行固化，省去了固化前的准备工作，节省了劳力与时间。浸胶固化技术蜂窝的浸胶工序主要是对蜂窝的密度进行控制，密度控制不好将直接影响蜂窝芯材的成品率，中航工业复材研制的全自动浸胶机已完成全面工艺试验，现已投入生产。多年来，影响蜂窝芯材外观、性能和生产效率的关键工序浸胶，国内一直以半机械辅以手工的方式进行。该自动浸胶机的浸胶部分采用高精密导轨导向，由数控系统控制伺服电机完成蜂窝芯材浸胶的全部工艺动作，数控系统对蜂窝浸胶工艺中的浸泡、提升、叉接、翻转、移料、称重等全部过程实现自动控制，并配备了液位检测系统、胶液循环系统、黏度检测系统、胶液温度控制系统，经数据转换和计算机处理后能实现溶剂的及时补充和浸渍树脂的配置。该设备的控制技术先进、自动化程度高，生产出的蜂窝芯材密度均匀性好，该设备的投产对提高蜂窝芯材质量和产量的效果显著。在芳纶纸蜂窝固化方式上，烘房采用导向式水平送风方式，这样热风直接穿过蜂窝孔格，有利于将树脂固化时所产生的热量从蜂窝孔格内排放出来，保证固化的安全性和均匀性，而且效率较高。加工技术在加工工序，利用先进的片切机和专用锯条，可以做到对芳纶纸蜂窝高度尺寸精确控制，公差保证在±0.10毫米以内，另外，立式带锯和斜式带锯的应用不仅使芳纶纸蜂窝产品外观更加美观，也将复杂的异型截面变为可能，为蜂窝产品的应用打开了更宽阔的思路。芳纶纸蜂窝是应用于复合材料夹层结构的典型芯材，常用于前缘蒙皮、活动面蒙皮壁板、全高度蜂窝夹层结构操纵面、雷达罩以及梁、肋的腹板等。芳纶纸蜂窝具有优良的工艺设计性能，与其他材质蜂窝芯相比，还具有与各种树脂体系良好的相容性，与各种材料的蒙皮都能很好地黏结，适用于多种成型工艺，以制备出不同形状的夹层结构件。芳纶纸蜂窝的成型工艺参数主要取决于蒙皮材料和粘接材料，一般压力不大于0.5MPa，固化温度不大于200℃。中航工业复材在芳纶纸蜂窝关键技术的突破基础上，集成创新，已建成一条各工序基本实现自动化、具有国际先进水平的芳纶纸蜂窝生产线，产能达到5000立方米/年。目前，中航工业复材研制生产的各种类型芳纶纸蜂窝已广泛应用于飞机结构，并在航天、电子、船舶、轨道交通和体育用品等多领域得到广泛应用，占有国内芳纶纸蜂窝市场份额的80%以上。随着制造技术的提升，芳纶纸蜂窝质量更加稳定，吸引了国外航空市场的密切关注，波音、诺单、DIEHL等国外公司先后到访中航工业复材寻求合作，其中诺单公司对中航工业复材公司生产的芳纶纸蜂窝进行全面认证，并给出结论：中航工业复材制造芳纶纸蜂窝各项性能及稳定性与国外著名蜂窝厂商制造的蜂窝相当。诺单公司已向中航工业复材发出订单。美国雅琦公司已与中航工业复材合作，成为中航工业复材蜂窝代理商。今后两年，由中航工业复材生产的芳纶纸蜂窝将陆续通过国外相关公司的认证，全面进入国际航空市场。铝蜂窝制造技术中航工业复材具备所有规格耐久铝蜂窝芯材制造能力及根据客户要求进行耐久铝蜂窝芯材定制的能力，拥有多项处于国内领先的关键技术：大幅宽、高密度耐久铝蜂窝芯材涂胶压制技术经过多年技术攻关，中航工业复材已突破密度为170kg/m3的大高度耐久铝蜂窝芯材涂胶、压制技术，HB5443-90夹层结构用耐久铝蜂窝芯材规范内最高密度为140kg/m3。高密度、大高度、大尺寸耐久铝蜂窝芯材拉伸技术铝蜂窝主要通过耐腐蚀底胶浸渍、涂胶、叠合、压制、拉伸等工序制作而成，经过多年技术积累，中航工业复材实现了国内最大高度、尺寸、密度耐久铝蜂窝芯材制造。中航工业复材拥有用从铝箔表面处理到蜂窝叠层板切割、拉伸及后续夹层结构制造的全套生产设备，该套设备具有自动化程度高，控制精度好等特点，整套设备处于国内领先水平。整条耐久铝蜂窝芯生产线年产能约为50吨。PMI泡沫制造技术同密度的情况下，PMI泡沫具有比其他聚合物泡沫材料更高的抗压缩强度和刚度、更优异的耐高温和耐湿热性能、以及更好的抗高温蠕变性能和尺寸稳定性，其突出的耐热性能和高温下优异的抗蠕变性能使其能承受碳纤维/环氧、碳纤维/双马等树脂复合材料的高温固化工艺条件，可实现泡沫夹芯与预浸料的一次共固化，广泛应用于复合材料泡沫夹层结构件的制造。中航工业复材通过技术引进的方式已经掌握了PMI泡沫预聚板成型技术、PMI泡沫发泡技术、后处理技术和加工技术等四项关键技术，所生产的PMI泡沫质量在国内处于领先地位，力学性能与Degussa泡沫的力学性能基本相当，设计年生产能力为1000m3水平。优秀的团队是推动蜂窝生产技术的奠基石中航工业复材蜂窝及芯材事业部团队专业性强，经过长期建设，本团队已有成员30人，其中研究员2人，高级工程师6人，技师3人；1人拥有博士学位，6人有研究生学位，6人有学士学位。本团队先后承担了多项国家科研课题：中、高密度蜂窝的研制，直升机用国产芳纶纸蜂窝工程化研究、高性能国产芳纶纸蜂窝研制等多项型号攻关和科研课题，完善了芳纶纸蜂窝的种类和规格，突破了多种牌号规格的国产芳纶纸蜂窝的制造技术，摆脱了国外对芳纶纸技术封锁的束缚，实现了国产芳纶纸蜂窝的批量生产。蜂窝及芯材生产团队有着和谐的工作氛围和较强的凝聚力。团队中，多名成员是国内蜂窝制造技术的奠基人，从20世纪80年代国内蜂窝材料开始研制时便一直从事蜂窝的研究生产工作，有着丰富的蜂窝生产经验和丰硕的研究成果，其严谨的态度、踏实的工作作风对中青年成员起到了极好的示范效应。在团队建设中，经常举办“工作经验交流会”，团队成员间的经验得以自由交流，工作中的问题得到及时充分的交流和启发，在宽松、和谐的氛围中，实现团队的整体进步。