朱成香，張改華，高永強，王 強

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

為了滿足高性能飛機的發(fā)展需求，復合材料用量必將大幅增加。W型航空隔板是雙發(fā)動機常用的結構形式，作為飛機上的次承力機構，主要用來承受機身剪力，如果采用復材結構，則可大大減輕飛機重量。

RTM（Resin Transfer Molding）成型工藝是21世紀復合材料生產領域的主導工藝之一，其所需設備的費用要比熱壓罐成型所需設備的費用低得多。如果某飛機W型航空隔板采用RTM工藝成型，就可以在減輕結構重量的同時降低復材制造成本。然而，RTM成型工藝對樹脂的要求較高。

1 RTM工藝常用樹脂

RTM工藝對樹脂的要求比較高，適用于RTM工藝要求的樹脂必須滿足以下幾點：

1）粘度低,樹脂與纖維的粘接性好;

2）在注射溫度下有足夠的適用期,同時在固化成型溫度下能迅速固化;

3）固化時無低分子物放出,收縮率低[1,2]。此外,還要求注模時成型壓力低,模具的溫度也要求較低(< 80℃)。因此選擇合適的樹脂是決定W型航空隔板RTM成型性能優(yōu)劣的關鍵。

1.1 常用樹脂性能對比

1）對于聚酯和乙烯基脂類，單體轉化率達5%~ 10%時，樹脂就出現凝膠，而環(huán)氧、雙馬或酚醛類樹脂，只有當50%~60%的單體轉化為大分子時才出現凝膠，故聚酯和乙烯基脂類樹脂不適合做RTM用樹脂。

2）環(huán)氧樹脂

優(yōu)點：眾多可供選擇的環(huán)氧和固化劑使環(huán)氧樹脂體系的種類在工藝范圍和可達到的物理性能方面非常多樣化。環(huán)氧樹脂通常使用的固化劑是芳香族或脂肪族胺類、酸酐和酚醛。

3）酚醛熱固性材料

缺點：酚醛聚合物很脆，導致這些材料體系具有拉伸強度、斷裂延伸率都很低和裂紋敏感性較高的特征，而且成形困難。

優(yōu)點：具有優(yōu)異的阻燃性和低的發(fā)煙量，唯一能夠使復合材料具有同樣好的阻燃性及低的發(fā)煙量的樹脂是雙馬樹脂，但價格比酚醛高一個數量級。

4）氰酸樹脂

缺點：較高的成本（44美元/Kg-220美元/Kg）

優(yōu)點：較高的玻璃化轉變溫度和極好的電性能是氰酸樹脂應用的主要驅動力。低吸濕率、良好的力學性能。高玻璃化轉變溫度、低的介電常數和介電損耗因子阻止了通過復合材料的高能輻射的發(fā)射和接受，它能夠滿足雷達結構的需求，在衛(wèi)星結構上也有應用。

5）雙馬樹脂

缺點：較高的成本（44美元/Kg-220美元/Kg）。

優(yōu)點：具有更高的玻璃化轉變溫度、良好的熱氧化穩(wěn)定性及阻燃性。

1.2 國內典型RTM樹脂體系

復合材料低成本液態(tài)成型工藝技術研究雖然起步相對較晚，但發(fā)展很快。近年來出現了多個工藝性和力學及耐熱性能優(yōu)良的液態(tài)成型樹脂基體及其配套定型劑材料和預成型體制備技術（表1）。這些液態(tài)成型材料體系突破了低粘度化等技術難題，并建立了相應的材料和工藝標準，逐步開始了在工程上的應用。

表1 國內液態(tài)成型樹脂體系

2 W型航空隔板RTM成型樹脂選擇

2.1 W型航空隔板外形結構

某飛機W型航空隔板如圖1所示，屬于細長型結構，用于機身艙門部位，左右跨度2000mm左右，主要用來承受機身剪力，由于左右跨度較大，因此所選的樹脂要有足夠長的低粘度區(qū)間。W型航空隔板如果用于后機身發(fā)動機艙門位置，溫度將會較高，同時考慮到成本問題，注射溫度不宜太高，綜合考慮，擬選用5284RTM樹脂。

圖1 艙門W型隔板

2.2 5284RTM樹脂性能數據

2.2.1 5284RTM環(huán)氧樹脂工藝性能

大型復雜整體或大厚度結構采用RTM成型，對于樹脂的工藝性能要求較高。凝膠時間是熱固性樹脂在一定反應溫度下達到凝膠狀態(tài)所需的時間，是制定熱固性樹脂基復合材料成型工藝標準的重要參數。5284RTM環(huán)氧樹脂凝膠時間－溫度曲線如圖2所示。180℃下5284RTM樹脂的凝膠時間為47min。5284RTM樹脂的DSC曲線見圖3。

圖2 5284RTM樹脂凝膠時間測定

圖3 5284RTM樹脂的DSC曲線

2.2.2 5284RTM樹脂的貯存性能與工藝適用期

樹脂粘度是表征樹脂的流動能力和工藝性能的重要參數。RTM用樹脂要求具有適當的粘度，如果粘度太高，不但需要較大的注射壓力，而且樹脂和纖維浸潤速度較慢，不利于空氣排除；如果粘度太小，則容易在浸潤纖維束之前就充滿模腔，導致制品中的疏松缺陷。一般情況下，RTM樹脂注射粘度應小于1.0Pa.s，最佳注射粘度為0.05Pa.s～0.3Pa.s。

如圖4，5284RTM樹脂在不同老化時間后的粘度隨溫度的變化曲線，老化條件為室溫（平均溫度20℃～25℃），經過了一年中最炎熱的季節(jié)（4月～9月）。經過157天老化后的5284RTM樹脂的粘度仍能滿足RTM成型工藝的要求，這說明5284RTM樹脂在室溫環(huán)境條件下的貯存期在5個月以上。

圖4 5284RTM樹脂在室溫下不同時間老化后的粘度隨溫度變化曲線

樹脂的工藝適用期是指已經制備的樹脂體系或預浸料保持其工藝適用性的時間。工藝適用期的長短直接關系到復合材料制件的成品率、產品質量等。在現有的RTM樹脂中，無論是不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂，還是雙馬樹脂，它們的工藝適用期大都在1小時～10小時范圍內，很難滿足大型、高品質、高性能復合材料制件的生產需求。圖5是5284RTM樹脂在80℃條件下老化的粘度隨溫度變化曲線。從圖中可以看到，隨著時間的推移，5284RTM樹脂粘度在同等溫度下是不斷變大的。然而在80℃下的粘度為700mPa.s，低于RTM樹脂粘度的上限1000mPa.s，仍在RTM注射粘度之內，如果這時樹脂的粘度仍然偏高，則可以進一步提高樹脂注射溫度，以滿足工藝要求。這說明5284RTM樹脂在80℃注射溫度下工藝適用期大于4（96小時）天。

圖5 5284RTM樹脂在80℃條件下放置不同時間后的粘度隨溫度變化曲線

圖6 5284RTM樹脂在65℃條件下放置不同時間后的粘度隨溫度變化曲線

圖6是5284RTM樹脂在65℃條件下放置不同時間后的粘度隨溫度變化曲線，圖7是5284RTM樹脂在65℃下的粘度隨老化時間（65℃）變化曲線，樹脂在65℃條件下老化12天以后，它在65℃下的粘度僅上升到了200mPa.s左右?？梢?，如果樹脂注射溫度為65℃，其工藝適用期在12天（288小時）以上。而美國Cytec公司的PR520環(huán)氧樹脂體系的注射工藝溫度在120℃之上，PR520在104℃下的粘度也高于300mPa.s，PR520樹脂在106℃下保持6小時后其粘度則上升到了1000mPa.s以上，如圖8所示。因此，可認為5284RTM的工藝性能優(yōu)于PR520及RTM6。

2.3 5284樹脂基材料體系材料許用值研究

2.3.1 物理性能

5284樹脂基材料體系常用的適合RTM成型的材料常用的有：U-3160/5284RTM復合材料，；CF3031/ 5284RTM復合材料，CF3052/5284RTM復合材料。單層壓厚：U-3160/5284RTM復合材料控制在0.163mm± 0.008mm；CF3031/5284RTM復合材料控制在0.225mm± 0.01mm；CF3052/5284RTM復合材料控制在0.295mm± 0.015mm。

圖7 5284RTM樹脂在65℃下的粘度隨老化時間變化曲線

圖8 PR520在106℃下的粘度變化曲線

空隙率（GB/T 3365-2008）測試結果為基本無空隙。

密度及玻璃化轉變溫度如表5和表6所示。

表5 復合材料層壓板密度

表6 復合材料層壓板玻璃化轉變溫度

20℃干態(tài)和濕態(tài)下復合材料基本力學性能如表7和表8所示。

表7 20℃干態(tài)下復合材料基本力學性能（B基值）

表8 20℃濕態(tài)下復合材料基本力學性能（B基值）

20℃干態(tài)和濕態(tài)下復合材料基本力學性能如表9和表10所示。

表9 130℃干態(tài)下復合材料基本力學性能（B基值）

表10 130℃濕態(tài)下復合材料基本力學性能（B基值）

2.3.2 數據對比研究

通過試驗數據對比發(fā)現：

1)在相同溫度下，U3160/5284RTM經向拉伸強度和經向壓縮強度較好；CF3031/5284RTM面內剪切強度、緯向拉伸強度和緯向壓縮強度較好；CF3052/ 5284RTM各項力學性能較差。

2）復合材料相同溫度下干態(tài)和濕態(tài)基本力學性能對比發(fā)現：干態(tài)下基本力學性能普遍優(yōu)于濕態(tài)下基本力學性能。

3 結論

由于U3160/5284RTM經向拉伸強度和經向壓縮強度較好；CF3031/5284RTM面內剪切強度、緯向拉伸強度和緯向壓縮強度較好，而W型航空隔板緣條部位主要承受拉應力；隔板腹板部位主要承受剪應力，故將U3160/5284RTM用于W型航空隔板緣條部位，CF3031/5284RTM用于W型航空隔板腹板部位。

[1]Beckwith S.W,CRAIG R.H.Resin transfermolding,a decade technology advances[J].SAMPE Journa,l 1998,34(6):21-23.

[2]孔晉峰,張彥飛,劉亞青.復合材料RTM成型工藝參數的研究[J].工程塑料應用,2009,(3):42-44.