李斌太，邢麗英，包建文，安學(xué)鋒，張　洋，石峰暉，李雪芹，焦　健，陳祥寶

(北京航空材料研究院 先進復(fù)合材料國防科技重點實驗室， 北京 100095)

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先進復(fù)合材料國防科技重點實驗室的航空樹脂基復(fù)合材料研發(fā)進展

李斌太，邢麗英，包建文，安學(xué)鋒，張洋，石峰暉，李雪芹，焦健，陳祥寶

(北京航空材料研究院 先進復(fù)合材料國防科技重點實驗室， 北京 100095)

歸納先進復(fù)合材料國防科技重點實驗室在航空先進樹脂基復(fù)合材料方面的應(yīng)用和研究進展。研制出超薄熱塑性無紡織物層間增韌技術(shù)以實現(xiàn)提高復(fù)合材料的CAI性能。設(shè)計出的多夾層結(jié)構(gòu)具有多層吸收拓展頻帶的作用，使多夾層隱身復(fù)合材料的吸收頻寬達1～18GHz。高韌性樹脂基復(fù)合材料和耐高溫復(fù)合材料技術(shù)得到發(fā)展，并形成預(yù)浸料-熱壓灌成型、液態(tài)成型和自動化制造技術(shù)體系。發(fā)展復(fù)合材料固化、樹脂流動、固化變形等模擬優(yōu)化技術(shù)，并建立復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫技術(shù)。建立先進復(fù)合材料國防科技重點實驗室可在支撐航空裝備研制，在航空復(fù)合材料創(chuàng)新引領(lǐng)、體系主導(dǎo)、基礎(chǔ)支撐和保障應(yīng)用方面發(fā)揮作用。

微波吸收材料；樹脂基復(fù)合材料；航空復(fù)合材料；技術(shù)體系

先進樹脂基復(fù)合材料具有性能可設(shè)計、高比強度和比剛度、疲勞性能好、耐腐蝕、可整體成型和多功能一體化等優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)發(fā)展成為最重要的一類結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)功能一體化材料。經(jīng)過40多年的發(fā)展，國內(nèi)先進樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能、韌性、耐高溫性能及工藝性得到綜合提升；復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)向自動化、數(shù)字化、整體化發(fā)展，低成本制造技術(shù)逐步成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，應(yīng)用效能不斷提高；結(jié)構(gòu)功能復(fù)合材料技術(shù)趨于成熟[1]，實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。

為適應(yīng)先進復(fù)合材料發(fā)展的要求，原國防科工委于1996年依托北京航空材料研究院建立了先進復(fù)合材料國防科技重點實驗室(下稱“本實驗室”)，主要從事先進復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，以帶動先進復(fù)合材料的技術(shù)進步和跨越式發(fā)展，在航空先進復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮引領(lǐng)和主導(dǎo)作用，支撐先進復(fù)合材料特別是航空復(fù)合材料研究與應(yīng)用水平的提高。本文將介紹本實驗室在先進航空復(fù)合材料研究方面的主要技術(shù)進步和取得的創(chuàng)新性成果及其應(yīng)用。

1　結(jié)構(gòu)與功能復(fù)合材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究

在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料增韌機制和增韌方式、結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料實現(xiàn)原理和方式等方面開展了卓有成效的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，發(fā)明了超薄熱塑性無紡織物層間增韌技術(shù)、“陷阱式”結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料技術(shù)，引領(lǐng)了樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料高韌性、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)/吸波一體化技術(shù)等的發(fā)展。

1.1復(fù)合材料增韌技術(shù)

為滿足航空、航天等領(lǐng)域?qū)渲鶑?fù)合材料綜合性能的要求，特別是對復(fù)合材料的抗沖擊性能的要求，創(chuàng)新性地發(fā)展了超薄熱塑性無紡織物層間增韌等技術(shù)，復(fù)合材料的沖擊后壓縮強度(CAI)提高到315 MPa以上，達到第三代高韌性復(fù)合材料先進水平。

傳統(tǒng)的增韌技術(shù)通過在復(fù)合材料樹脂基體內(nèi)大量引入熱塑性樹脂來提高復(fù)合材料韌性，這會導(dǎo)致預(yù)浸料及復(fù)合材料的制備工藝性和質(zhì)量可控性下降。采用靜電紡絲技術(shù)制備了具有高透過性的高性能熱塑性超細纖維超薄無紡布作為增韌材料，不但明顯提高了復(fù)合材料的韌性，而且能夠使樹脂在纖維束內(nèi)和層間充分流動，保證了高韌性復(fù)合材料的工藝性，提高了復(fù)合材料的成型質(zhì)量。對T800碳纖維增強高韌性復(fù)合材料進行能量為6.67 J/mm的沖擊試驗，試驗結(jié)果見圖1和表1，可以看到，復(fù)合材料遭受沖擊后損傷面積顯著減小，從未增韌的2585 mm2大幅度降低為382 mm2，同時CAI從未增韌的164 MPa提高到了359 MPa。

圖1　復(fù)合材料超聲C掃描圖像　　　(a)未增韌復(fù)合材料；(b)增韌復(fù)合材料Fig.1　Ultrasonic C-scan images of composites　　　(a)un-toughened composites;(b)toughened composites

MaterialDamagearea/mm2CAI/MPaUn-toughenedcompositess2585164Toughenedcomposites382359

作為一種高性能復(fù)合材料通用增韌方法，超細纖維無紡布層間增韌技術(shù)不僅適用于熱壓罐成型環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、雙馬樹脂基復(fù)合材料、聚酰亞胺復(fù)合材料和氰酸脂復(fù)合材料等，而且由于超細纖維無紡布具有液體和氣體的高透過性，同樣適合于高性能液態(tài)成型環(huán)氧復(fù)合材料和聚酰亞胺復(fù)合材料的增韌，利用該技術(shù)制備了液態(tài)成型T300級碳纖維增強的5284RTM/U3160和3228RTM/U3160液態(tài)成型環(huán)氧復(fù)合材料，以及聚酰亞胺復(fù)合材料HT-350/CCF300，復(fù)合材料的CAI均達到較高水平，詳見表2。

表2熱塑性超細纖維無紡布層間增韌復(fù)合材料的CAI

Table 2CAI of composites toughened with thermoplastic non-woven fabric interleaf

MaterialCAI/MPa5284RTM/U31602573228RTM/U3160280HT-350/CCF300295

1.2結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料技術(shù)

雷達探測距離與飛機雷達散射截面(RCS)的4次方根成正比,飛機RCS減縮一個數(shù)量級，雷達探測距離降低大約1/2。結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料可在不明顯增加飛機結(jié)構(gòu)重量的情況下制備具有吸波和承載雙重功能的復(fù)合材料吸波結(jié)構(gòu)(RAS)，顯著降低RCS，是先進航空裝備實現(xiàn)高隱身不可缺少的關(guān)鍵材料。本實驗室圍繞提高結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料長期使用溫度，展寬吸收頻帶和提高吸收效率，創(chuàng)新性地研制了滿足應(yīng)用要求的耐高溫層合和夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料。

為了提升結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的吸波性能，利用鐵磁性吸收劑的磁損耗特性與介電吸收劑的電損耗特性，以及不同形狀吸收劑容易形成滲流網(wǎng)絡(luò)的形狀效應(yīng)，研制了由針狀和片狀鐵磁性吸收劑與纖維狀和球狀介電吸收劑構(gòu)成、具有良好寬頻吸收性能的復(fù)合吸收劑。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了耐高溫雙馬和環(huán)氧樹脂固化體系以及復(fù)合吸收劑在樹脂基體中分級溫控剪切分散技術(shù)，發(fā)明了耐高溫寬頻吸波樹脂基體。本實驗室研制的耐高溫層合結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料能夠滿足150 ℃以上長期使用、同時具有良好高頻和低頻吸波性能和力學(xué)性能的要求，圖2為研制的層合結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料在高溫下的吸波性能。

圖2　150 ℃下耐高溫結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料吸波性能Fig.2　Properties of high temperature radar absorbing structure material at 150 ℃

通過研究層合結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料不同功能層間的阻抗變化對吸收特性的影響，發(fā)現(xiàn)不同功能層間的阻抗突變具有阻抗“位錯”效應(yīng)，可明顯提高吸收效率，以及電路模擬周期結(jié)構(gòu)諧振和吸波樹脂基體損耗吸收存在疊加效應(yīng)，從而發(fā)明了含電路模擬周期結(jié)構(gòu)的“陷阱式”層合結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料，吸波性能見圖3，使層合結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料實現(xiàn)了寬頻高吸收[2]。

基于復(fù)合吸收劑的干涉/散射/損耗吸收多機制耦合作用研制了高效吸波蜂窩浸漬膠液，使吸波蜂窩在損耗吸收的同時產(chǎn)生散射和干涉，從而提高了吸波效率。為了進一步改善吸波蜂窩的阻抗匹配，發(fā)明了具有吸波層梯度結(jié)構(gòu)的吸波蜂窩，進一步提高了吸收頻寬和吸波效率。圖4為梯度浸漬和均勻浸漬吸波蜂窩的吸收性能比較，可以看出，梯度浸漬的吸波蜂窩具有更好的吸波性能。

發(fā)展了以石英纖維增強雙馬和環(huán)氧透波復(fù)合材料作為面板的夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料，研究了不同夾層結(jié)構(gòu)形式對吸波頻寬和吸收效率的影響，發(fā)現(xiàn)多夾層結(jié)構(gòu)具有多次吸收拓展頻帶的作用，研制了具有良好低頻吸波性能的A夾層、C夾層和多夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料，其中多夾層結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料在1～18 GHz的反射率見圖5，可以看到，多夾層結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料的吸收頻寬可以達到1～18 GHz。

2　樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和制造技術(shù)體系

在樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制造技術(shù)方面開展了體系化研究，建立了樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制造技術(shù)體系，主導(dǎo)直升機、運輸機、殲擊機和航空發(fā)動機用復(fù)合材料的研發(fā)，實現(xiàn)復(fù)合材料熱壓罐、RTM和自動化制造技術(shù)的逐步成熟應(yīng)用。

2.1高韌性樹脂基復(fù)合材料技術(shù)

為滿足我國航空裝備發(fā)展的需求，逐步發(fā)展了直升機、運輸機、殲擊機和航空發(fā)動機用高韌性樹脂基復(fù)合材料，包括橡膠和熱塑性樹脂增韌改性中溫固化環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(3234，3238A，LT-03A等)、熱塑性樹脂內(nèi)增韌高溫環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(5224，5228，5228A等)、擴鏈改性增韌雙馬來酰亞胺樹脂基復(fù)合材料(5405)以及高韌性雙馬來酰亞胺樹脂基復(fù)合材料(5428，5429等)[3-4]，沖擊后壓縮強度在150～290 MPa范圍，見表3，支撐了直升機、殲擊機和無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制和發(fā)展。

針對國內(nèi)新一代航空裝備發(fā)展對T800級碳纖維增強高強高韌復(fù)合材料的需求，系統(tǒng)開展了與國產(chǎn)T800級碳纖維匹配的高韌性樹脂基體、預(yù)浸料制備和復(fù)合材料成型工藝以及T800級碳纖維增強復(fù)合材料的自動化工藝適應(yīng)性研究，開發(fā)了滿足新一代航空裝備需求的高韌性環(huán)氧樹脂(AC531)和雙馬樹脂(AC631)復(fù)合材料，國產(chǎn)T800級碳纖維增強AC531環(huán)氧復(fù)合材料的CAI達到了340 MPa以上，AC631雙馬復(fù)合材料CAI達到了320 MPa以上，綜合性能達到國外同類材料先進水平。

為了降低復(fù)合材料的成本，系統(tǒng)研究液態(tài)成型復(fù)合材料的樹脂體系、預(yù)定型織物及預(yù)成形體制備和液態(tài)成型復(fù)合材料成型工藝研究，發(fā)展中溫固化環(huán)氧(3266，3228RTM)、高溫固化環(huán)氧(5284RTM)、雙馬來酰亞胺(6421RTM)和聚酰亞胺樹脂(HT-350RTM)液態(tài)成型復(fù)合材料體系[5]，最高長期使用溫度達到了350 ℃，見表4。

表3　韌性樹脂基復(fù)合材料主要性能

表4　液態(tài)成型樹脂體系主要性能

2.2耐高溫復(fù)合材料技術(shù)

為了進一步改善航空發(fā)動機性能，有效地提高發(fā)動機推重比，發(fā)展降冰片烯封端聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料，如具有良好工藝性的LP-15聚酰亞胺復(fù)合材料和具有耐溫400 ℃的PYI-400聚酰亞胺復(fù)合材料，以及苯乙炔基苯酐封端的聚酰亞胺復(fù)合材料，如RTM聚酰亞胺復(fù)合材料HT-350RTM。HT-350RTM工藝性能和耐熱性均優(yōu)于NASA研制的PETI-330聚酰亞胺RTM樹脂，見圖6～圖7[5-6 ]。

圖6　HT-350RTM與PETI-330樹脂流變性能比較[5-6]Fig.6　Rheological behavior of HT-350RTM and PETI-330 resins[5-6]

圖7　HT-350RTM與PETI-330樹脂耐熱性比較[5-6]Fig.7　Heat resistant properties of HT-350RTM and PETI-330 resins[5-6]

SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料具有較高的韌性，抗氧化性好，在航空發(fā)動機、高馬赫數(shù)飛行器等新一代裝備具有良好的應(yīng)用前景。陶瓷基復(fù)合材料通常由增強纖維、界面層和陶瓷基體三部分組成，其性能由各部分本身性能及相互作用共同決定。重點開展了化學(xué)氣相滲透(CVI)、先驅(qū)體浸漬裂解(PIP)以及反應(yīng)熔體滲透(RMI)等制備工藝技術(shù)研究，制備高性能SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料，發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料防護涂層及粉體制備技術(shù)[7-8]，初步形成具有航空特色的陶瓷基復(fù)合材料體系和相關(guān)工藝技術(shù)。表5為以SiCf二維平紋布為增強體的SiCf/SiC復(fù)合材料力學(xué)性能典型值。

表5　SiC纖維(KD-II型)二維平紋布增強SiC基復(fù)合材料力學(xué)性能

2.3樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)

樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)已形成以預(yù)浸料-熱壓罐工藝和液態(tài)成型兩大類工藝為主，模壓成型和真空成型等為輔的工藝技術(shù)體系。在預(yù)浸料-熱壓罐成型技術(shù)、液態(tài)成型技術(shù)和自動化制造技術(shù)等方面持續(xù)開展系統(tǒng)的研究工作，并獲得顯著進展。

預(yù)浸料-熱壓罐工藝一般使用預(yù)浸料為原材料，利用熱壓罐固化成型，是目前航空復(fù)合材料構(gòu)件制造的主要成型技術(shù)。單向纖維增強樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料的樹脂含量一般在(35±3)%，成型后復(fù)合材料層壓板的樹脂含量一般要求為33%左右，對于大尺寸、大厚度(≥10 mm)復(fù)合材料構(gòu)件成型來說多余樹脂排出是個工藝難題。通過優(yōu)化熱熔法預(yù)浸料制備工藝參數(shù)，包括涂布輥溫度、熱板溫度、涂布輥刀口間隙、復(fù)合輥溫度及壓力、制造速度等，突破零吸膠預(yù)浸料精度與穩(wěn)定性控制技術(shù)，研制出環(huán)氧、雙馬樹脂零吸膠預(yù)浸料，提高了預(yù)浸料的工藝適用性。

高韌性復(fù)合材料樹脂基體是非均相體系，采用普通均相樹脂體系的復(fù)合工藝來制備高韌性復(fù)合材料預(yù)浸料會造成液相樹脂的流失，以及增韌相在纖維的過濾作用下裸露在預(yù)浸料表面，使預(yù)浸料黏性變差。通過復(fù)合機壓輥的壓力、熱板溫度及復(fù)合速度有效匹配，突破高韌性預(yù)浸料復(fù)合浸潤技術(shù)，使高韌性樹脂在浸潤纖維的同時，能使纖維束有效展開，制備的預(yù)浸料表面平整、均勻，黏性保持率好，滿足了大型復(fù)雜構(gòu)件制造的要求。圖8為本實驗室的熱熔法預(yù)浸料制造設(shè)備。

圖8　熱熔法預(yù)浸料制造設(shè)備　(a)膠膜機；(b)預(yù)浸機Fig.8　Hot melt prepreg preparation equipment　(a)resin film coating equipment;(b)prepreg equipment

采用熱壓罐工藝發(fā)展了具有T型、J型、工字型和帽型等加筋結(jié)構(gòu)壁板，以及蜂窩和泡沫夾層結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，滿足了航空裝備發(fā)展的需求。目前本實驗室具備φ1～5 m不同尺寸的熱壓罐，圖9為φ5 m×12 m熱壓罐。最新研究是將預(yù)浸料熱壓罐成型工藝技術(shù)和數(shù)字化、自動化技術(shù)相結(jié)合，采用預(yù)浸料自動裁切和激光定位輔助鋪層技術(shù)，提高制造過程的自動化水平，提升熱壓罐成型工藝水平，改善復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量。

圖9　φ5 m×12 m熱壓罐Fig.9　Autoclave with size of φ5 m×12 m

液態(tài)成型技術(shù)適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體成型，可提高構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性，降低連接裝配成本，目前在飛機尾翼、活動舵面、艙門等主、次承力結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用。已研制出適合多種溫度范圍的液態(tài)成型樹脂基體；開展干態(tài)定型劑研制和粉末定型技術(shù)研究，針對現(xiàn)有樹脂基體研制出專用及通用粉末定型劑體系，顯著提高液態(tài)成型復(fù)合材料的力學(xué)性能和質(zhì)量穩(wěn)定性；發(fā)展的液態(tài)成型樹脂基體離位增韌技術(shù)，使液態(tài)成型復(fù)合材料的韌性接近預(yù)浸料復(fù)合材料的水平[9]。

隨著航空復(fù)合材料構(gòu)件向著大型化、整體化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的以手工鋪疊為特征的制造方式已無法滿足航空復(fù)合材料制件對制造效率、質(zhì)量、一致性、穩(wěn)定性和制造成本的要求。率先開展自動鋪帶、自動絲束鋪放和預(yù)浸料拉擠等自動化制造技術(shù)的研究，包括工程樣機研制、材料技術(shù)研究及工藝規(guī)范的建立，實現(xiàn)自動鋪帶、自動絲束鋪放在航空復(fù)合材料制造領(lǐng)域的應(yīng)用[10-13]。

3　復(fù)合材料研發(fā)手段與能力的提升

為了提升復(fù)合材料研究水平和研發(fā)能力，本實驗室發(fā)展復(fù)合材料固化、樹脂流動、固化變形等模擬優(yōu)化技術(shù)，建立起復(fù)合材料制造知識庫和數(shù)據(jù)庫，以支撐先進樹脂基復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用。

3.1制造過程模擬優(yōu)化技術(shù)

當(dāng)前樹脂基復(fù)合材料研制過程幾乎完全依靠試驗摸索，研制周期長，費用高，科學(xué)性差。發(fā)展與建立復(fù)合材料制造過程模擬和優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)縮短研制周期，提高復(fù)合材料性能和質(zhì)量的穩(wěn)定性，實現(xiàn)樹脂基復(fù)合材料性能預(yù)測和控制，是先進樹脂基復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)[14-15]。

主要針對復(fù)合材料制造過程中涉及的熱和(或)壓力作用下發(fā)生的熱化學(xué)反應(yīng)和以樹脂流動浸潤為主的熱物理變化開展固化動力學(xué)、固化過程溫度場分布、固化工藝參數(shù)綜合優(yōu)化以及RTM成型過程樹脂流動過程的模擬優(yōu)化研究。

采用三維熱傳導(dǎo)模型，并通過在模型中引入由固化動力學(xué)方程表述的內(nèi)部熱源項，建立溫度分布模型，實現(xiàn)固化過程中反應(yīng)熱與溫度關(guān)系的描述，將固化度、反應(yīng)速率、時間和溫度場分布聯(lián)系在一起，成功建立和驗證了系列雙馬樹脂、高溫固化環(huán)氧、中溫固化環(huán)氧、低溫固化環(huán)氧等體系的溫度分布模型，并采用有限元迭代技術(shù)，實現(xiàn)先進樹脂基復(fù)合材料固化過程溫度分布的準(zhǔn)確模擬計算。圖11是3234/T300B環(huán)氧復(fù)合材料不同位置的溫度模擬計算與實測結(jié)果的比較，說明模擬結(jié)果與實測結(jié)果一致性較好。

圖10　典型復(fù)合材料固化動力學(xué)模擬與實驗結(jié)果比較　(a)5428雙馬樹脂體系；(b)3234環(huán)氧樹脂體系Fig.10　Simulative and experimental results for cure kinetics of resins　(a)5428 resins;(b)3234 resins

圖11　3234/T300B復(fù)合材料不同位置溫度模擬計算與驗證結(jié)果比較　(a) 中心；(b)邊緣Fig.11　Simulative and experimental results of the temperature vs time at different positions of 3234/T300B composites (a)center;(b)edge

樹脂基復(fù)合材料為實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本的生產(chǎn)，要求其制造周期盡可能短并固化均勻完全。在這樣的優(yōu)化目標(biāo)下，可以分解確定復(fù)合材料固化規(guī)范中的不同階段的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，在加熱升溫階段，主要是優(yōu)化升溫速率，在固化保溫階段，主要是優(yōu)化保溫時間。在確定優(yōu)化目標(biāo)和約束后，將各階段的優(yōu)化目標(biāo)和約束轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)表達式，實現(xiàn)復(fù)合材料制造工藝參數(shù)的優(yōu)化計算。采用固化過程模擬優(yōu)化技術(shù)對雙馬5428/T300復(fù)合材料成型工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，實現(xiàn)固化周期減少40%，復(fù)合材料性能保持不變。

RTM成型工藝是復(fù)合材料的重要成形工藝技術(shù)，樹脂流動模擬是其中最重要的模擬優(yōu)化技術(shù)。通過綜合考慮成型過程樹脂黏度的變化、增強材料不同位置滲透率的變化等，建立了實用性強的RTM成型過程樹脂流動模擬系統(tǒng)。圖12為采用帶工字孔二維平板進行RTM工藝樹脂流動的計算模擬和驗證結(jié)果，可以看到二者一致性較好。

圖12　工字孔二維平板注射模擬計算和實驗結(jié)果比較　(a)模擬計算結(jié)果；(b)實驗結(jié)果Fig.12　Simulative and experimental results for filling panel with I-shaped hole　(a)simulative results;(b)experimental results

3.2復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫技術(shù)

復(fù)合材料數(shù)據(jù)是復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的一種極為重要的資源，妥善保存及科學(xué)利用這些數(shù)據(jù)是人們長期以來非常關(guān)注的問題。開發(fā)出基于數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用的復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可以對復(fù)合材料數(shù)據(jù)進行分類存儲并加以應(yīng)用。首先通過自底層數(shù)據(jù)至頂層(用戶層)數(shù)據(jù)鏈的梳理及元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化表達，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可追溯性和數(shù)據(jù)庫鏈的完整性。再采用數(shù)據(jù)采集、處理、審核、發(fā)布等全流程介入的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用架構(gòu)進行了復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫軟件的設(shè)計和開發(fā)，保證了數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的質(zhì)量可靠性和完整性。復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)庫具有自主知識產(chǎn)權(quán)，目前收錄的材料品種與牌號覆蓋了中國航空工業(yè)(固定翼、直升機等)的主要材料共計約240余類，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量已達5萬條。

除了力學(xué)性能、理化性能等材料性能表層數(shù)據(jù)外，該復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫中還包含批次、試驗數(shù)據(jù)等背景數(shù)據(jù)支持，具有準(zhǔn)確、可靠、可追溯等特點；能夠儲存包括數(shù)值、文字、表格和圖片等在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)類型，具備可移植性，可與ANSYS，PATRAN，SYSPLY，CATIA，PAM-RTM，F(xiàn)IBERSIM等CAD/CAE/CAM軟件進行數(shù)據(jù)傳遞；具有精細化的授權(quán)訪問和安全性設(shè)計，可控制不同層次和不同范圍的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)訪問。

該數(shù)據(jù)庫能幫助復(fù)合材料領(lǐng)域相關(guān)工作人員解決關(guān)鍵問題，給應(yīng)用者帶來的效益包括：1)提高效率。易使用、易檢索、統(tǒng)一的信息資源，數(shù)據(jù)查詢速度快，便于進行數(shù)據(jù)比較；2)保證質(zhì)量。能追蹤數(shù)據(jù)來源，保證設(shè)計過程分析和對比的精確性；3)降低風(fēng)險。數(shù)據(jù)具有安全性、可追溯性和精確性，保證快速、可靠的解決問題；4)知識積累。能確保有用的知識不被丟棄或置之不用。

在復(fù)合材料制造過程的模擬和優(yōu)化技術(shù)、復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫和知識庫研究基礎(chǔ)上，集成建立了“先進樹脂基復(fù)合材料制造模擬與優(yōu)化系統(tǒng)”，實現(xiàn)了復(fù)合材料選材評價、制造過程的模擬和工藝參數(shù)的優(yōu)化，使復(fù)合材料制造參數(shù)優(yōu)化從實驗摸索轉(zhuǎn)為數(shù)值模擬優(yōu)化。

4　在推動航空復(fù)合材料應(yīng)用和發(fā)展中發(fā)揮的作用

高韌性復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)/吸波復(fù)合材料、熱壓罐成型、RTM成型和自動化制造技術(shù)等在武器裝備研制中得到應(yīng)用，是堅持創(chuàng)新引領(lǐng)、體系主導(dǎo)、基礎(chǔ)支撐和保障應(yīng)用的必然結(jié)果，體現(xiàn)出本實驗室在航空復(fù)合材料研制中的作用。

4.1研究成果有力地支撐航空裝備的研制

開展基礎(chǔ)研究和重大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推動武器裝備關(guān)鍵技術(shù)突破和技術(shù)進步是本實驗室的使命。緊緊圍繞航空裝備發(fā)展的需要開展研究，在航空先進復(fù)合材料和工藝技術(shù)方面均取得了突破，取得的科研成果在先進戰(zhàn)斗機、大型運輸機、新型無人機、預(yù)警機等航空裝備研制中得到廣泛應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)減重和提高性能發(fā)揮了重要作用，詳見表6。

表6　本實驗室研究成果

4.2在航空復(fù)合材料發(fā)展中發(fā)揮的作用

(1)創(chuàng)新引領(lǐng)作用。堅持以人為本，通過營造寬松的氛圍，鼓勵科研人員在基礎(chǔ)和前沿領(lǐng)域自由探索，培育創(chuàng)新技術(shù)，不斷提高的核心競爭力。發(fā)展的超薄熱塑性無紡織物層間增韌技術(shù)、“陷阱式”結(jié)構(gòu)吸波一體化復(fù)合材料技術(shù)等都是在這種環(huán)境下經(jīng)過長期探索逐漸形成的，這些創(chuàng)新技術(shù)不僅推動本實驗室在核心研究方向?qū)崿F(xiàn)突破，而且引領(lǐng)了航空先進復(fù)合材料在高性能化、多功能化等方面的發(fā)展。

(2)體系主導(dǎo)作用。重點構(gòu)建了滿足航空裝備不同使用溫度要求、不同韌性要求的樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系；滿足不同構(gòu)件形式的復(fù)合材料制造技術(shù)體系；滿足不同功能要求的結(jié)構(gòu)功能復(fù)合材料技術(shù)；以及滿足支撐復(fù)合材料體系發(fā)展的配套技術(shù)體系。通過復(fù)合材料技術(shù)體系建設(shè)，主導(dǎo)了直升機、運輸機、殲擊機和航空發(fā)動機用復(fù)合材料技術(shù)的研發(fā)，實現(xiàn)復(fù)合材料及其制造技術(shù)的逐步成熟應(yīng)用。

(3)基礎(chǔ)支撐作用。發(fā)展了復(fù)合材料固化、樹脂流動、固化變形等模擬優(yōu)化技術(shù)，建立了復(fù)合材料技術(shù)知識庫和數(shù)據(jù)庫，使復(fù)合材料制造工藝參數(shù)優(yōu)化從實驗摸索轉(zhuǎn)為數(shù)值模擬優(yōu)化，形成了“通用”復(fù)合材料制造工藝的技術(shù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)復(fù)合材料復(fù)合效果(產(chǎn)品質(zhì)量、性能和成本)從“后知”到“先知”的飛躍，大大縮短了復(fù)合材料研制周期和節(jié)約了費用，支撐了先進樹脂基復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用。

(4)保障應(yīng)用作用。以支撐航空裝備發(fā)展為使命，以航空裝備需求為牽引，從中凝煉重大基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性的復(fù)合材料技術(shù)，有針對性的開展研究工作，形成的高韌性復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)/吸波復(fù)合材料、熱壓罐成型、RTM成型和自動化制造技術(shù)等在武器裝備研制中得到應(yīng)用，體現(xiàn)了本實驗室對航空裝備發(fā)展的保障作用。

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(責(zé)任編輯：張崢)

Research and Development Progress of National Key Laboratory of Advanced Composites on Advanced Aeronautical Resin Matrix Composites

LI Bintai,XING Liying,BAO Jianwen,AN Xuefeng,ZHANG Yang,SHI Fenghui,LI Xueqin,JIAO Jian,CHEN Xiangbao

(National Key Laboratory of Advanced Composites， Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095， China)

Applications and research progress in advanced aeronautical resin matrix composites by National Key Laboratory of Advanced Composites (LAC) were summarized. A novel interlaminar toughening technology employing ultra-thin TP non-woven fabric was developed in LAC, which significantly improved the compression after impact (CAI) performances of composite laminates.Newly designed multilayer sandwich stealth composite structures exhibited a good broadband radar absorbing properties at 1-18 GHz.There were remarkable developments in high toughness and high temperature resin matrix composites, covering major composite processing technologies such as prepreg-autoclave procedure, liquid composite molding and automation manufacture, etc. Finally, numerical simulation and optimization methods were deliberately utilized in the study of composites curing behavior, resin flow and curing deformation. A composite material database was also established.In conclusion, LAC has been a great support for the development of aeronautical equipment, playing such roles as innovation leading, system dominating, foundation supporting and application ensuring of aerocomposites.

microware absorbing composite materials; polymer matrix composites; aerocomposites; technology system

2016-03-19；

2016-04-24

973計劃項目(51311)

陳祥寶(1956—),男，博士,研究員,主要從事樹脂基復(fù)合材料研究，(E-mail)xiangbao.chen@biam.ac.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.010

TB332

A

1005-5053(2016)03-0092-09