趙秀芬，劉 剛，李偉東

（1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300；2.航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

自20世紀(jì)60年代復(fù)合材料開始在直升機(jī)上應(yīng)用以來，20世紀(jì)80年代西科斯基（Sikorsky）S-75、貝爾D292、波音 360、歐直 BK-117等全復(fù)合材料機(jī)身的直升機(jī)相繼試飛。21世紀(jì)以來，空客H-160低噪聲全復(fù)合材料直升機(jī)和Sikorsky S-97全復(fù)合材料高速直升機(jī)也相繼問世。復(fù)合材料具有的重量輕、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、壽命長、不需潤滑、使用維護(hù)方便、可靠性高等特點(diǎn)，使直升機(jī)的重量效率有了大幅度提高，成為直升機(jī)設(shè)計(jì)者的首選材料，但是直升機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其巨大的民用市場決定了直升機(jī)的成本成為必須考量的因素，預(yù)浸料-熱壓罐成型復(fù)合材料的高成本限制了其在直升機(jī)上的擴(kuò)大應(yīng)用和發(fā)展，液態(tài)成型等低成本復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。液態(tài)成型技術(shù)相較于傳統(tǒng)的預(yù)浸料-熱壓罐成型方法來說，不需要考慮預(yù)浸料的儲存運(yùn)輸和熱壓罐的投入等高成本因素，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)更加靈活、內(nèi)部質(zhì)量更易控制、制件變形控制及尺寸精度較高、固化時(shí)間及工藝成本明顯降低，是繼傳統(tǒng)的預(yù)浸料-熱壓罐成型工藝之后，航空復(fù)合材料高性能、低成本制造技術(shù)發(fā)展的主流技術(shù)之一，在直升機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

復(fù)合材料液態(tài)成型技術(shù)

復(fù)合材料液態(tài)成型技術(shù)（Liquid Composite Molding，LCM）是指將液態(tài)樹脂注入鋪有纖維預(yù)成型體的閉合模腔中，或加熱熔化預(yù)先放入模腔內(nèi)的樹脂膜，液態(tài)樹脂在流動充滿模腔的同時(shí)完成纖維/樹脂的浸潤并經(jīng)固化脫模后成為復(fù)合材料制品的一種復(fù)合材料成型技術(shù)[1-5]。LCM工藝是由樹脂傳遞模塑工藝發(fā)展起來的系列低成本復(fù)合材料成型工藝，主要包括樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Molding，RTM）、真空輔助樹脂浸滲（Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI）、樹脂膜浸滲成型（Resin Film Infusion，RFI）、反應(yīng)注射成型（Reaction Injection Molding，RIM）等，同等質(zhì)量樹脂傳遞模塑成型（Same Qualified Resin Transfer Molding，SQRTM）、高壓樹脂傳遞模塑成型（High Pressure RTM，HPRTM）等新型液態(tài)成型技術(shù)也逐漸發(fā)展并獲得應(yīng)用。

在先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中使用最廣泛的是RTM、VARI和RFI成型工藝，而在直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中采用的有RTM、VARI和SQRTM成型工藝，本部分重點(diǎn)對RTM和VARI成型工藝的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用對象進(jìn)行介紹，并對SQRTM成型工藝進(jìn)行介紹。

1 RTM成型工藝

RTM成型工藝[1-6]的基本原理是在閉合模具型腔中預(yù)先放置經(jīng)合理設(shè)計(jì)、剪裁或經(jīng)機(jī)械化預(yù)成型的預(yù)制體，將低黏度樹脂注入閉合模具中，通過樹脂的流動充分浸漬放置在模具中的干纖維預(yù)制體，經(jīng)固化、脫模后加工得到復(fù)合材料產(chǎn)品，如圖1所示。

RTM成型工藝是一種非常具有競爭力的低成本、整體化復(fù)合材料成型技術(shù)，可以作為預(yù)浸料-熱壓罐成型工藝的補(bǔ)充或替代技術(shù)，熱壓罐成型工藝的最大缺點(diǎn)是其體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且是壓力容器，因此建設(shè)投資成本較高；同時(shí)對于較大體積的熱壓罐，其升溫和加壓的速度比較慢，場內(nèi)溫度場控制不均勻[5]。

與熱壓罐成型工藝相比，RTM成型工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）RTM成型工藝中，纖維增強(qiáng)體是以預(yù)制體的形式使用的，預(yù)制體可以是單向/雙向機(jī)織布、短切氈、非屈曲織物（NCF）、三維針織物、二維/三維編織物等，還可以根據(jù)性能要求進(jìn)行擇向增強(qiáng)、局部增強(qiáng)、混雜增強(qiáng)以及采用預(yù)埋和夾芯結(jié)構(gòu)等，充分發(fā)揮復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性；

（2）RTM成型制件的成本基本取決于選用的樹脂體系和預(yù)制體，原材料的價(jià)格很大程度上決定了零件的價(jià)格，因此采用RTM成型工藝成為降低復(fù)合材料成本的合理選擇；

（3）RTM成型制件和成型模具可大量采用CAD設(shè)計(jì)，投產(chǎn)前的準(zhǔn)備時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，并可充分利用數(shù)值模擬分析工具完善設(shè)計(jì)；

（4）通過預(yù)先制造近凈尺寸的纖維預(yù)制體，并在閉合模具中注射成型，可進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體化制造，并且極大地減少了二次修整和裝配等后加工的需要[4]。

RTM成型工藝存在的難點(diǎn)是在成型階段樹脂和纖維通過浸漬過程實(shí)現(xiàn)賦形，纖維在模腔中的流動、纖維浸漬過程以及樹脂的固化過程都對最終產(chǎn)品的性能有很大的影響，因而導(dǎo)致了工藝復(fù)雜性增大，工藝控制難度較大。主要問題有：

（1）樹脂對纖維的浸漬不夠理想，制品里存在孔隙率較高、干纖維的現(xiàn)象；

（2）制品的纖維含量較低；

（3）大面積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具型腔內(nèi)，模塑過程中樹脂流動不均衡，較難對樹脂的真實(shí)流動浸潤行為進(jìn)行預(yù)測和控制[5]。

RTM成型工藝適用于具有復(fù)雜外形的大型整體化結(jié)構(gòu)和大厚度承力結(jié)構(gòu)。

圖1 RTM成型過程示意圖Fig.1 RTM molding process diagram

2 VARI成型工藝

VARI成型工藝是在RTM成型工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種低成本大型復(fù)合材料制件的成型技術(shù)，將柔性真空袋包覆在單面剛性模具上，密封預(yù)成型體，在真空負(fù)壓狀態(tài)下排除預(yù)成型體中的氣體，通過樹脂的流動、滲透，實(shí)現(xiàn)對纖維及織物增強(qiáng)體的浸漬，并在非熱壓罐條件下固化成型[7-10]。

VARI成型工藝的優(yōu)點(diǎn)：用VARI成型工藝制造復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)，采用柔性的真空袋代替了金屬上模，降低了模具成本；采用了樹脂導(dǎo)流槽或高滲透率介質(zhì)作為樹脂的流道，因此樹脂的流程更短，對增強(qiáng)纖維的浸漬更快，提高了浸潤效率；采用真空輔助成型，降低了制造成本；采用纖維預(yù)成型體，充分發(fā)揮復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性[7-10]。

VARI成型工藝的缺點(diǎn)：VARI的主要問題是很難成型纖維體積含量高的復(fù)合材料構(gòu)件，且制件的厚度尺寸很難保證。

VARI成型工藝適用于大尺寸、大厚度蒙皮、壁板類制件的低成本、高效率制造，尤其是單面尺寸精度要求高的制件。

3 SQRTM成型工藝

SQRTM成型工藝是一種設(shè)計(jì)用來制備熱壓罐級別質(zhì)量制件卻不使用熱壓罐的工藝技術(shù)，由Radius Engineering公司發(fā)展并商業(yè)化的一種融合了RTM成型工藝和預(yù)浸料工藝的用來生產(chǎn)凈尺寸、高度整體化復(fù)合材料制件的閉膜工藝。SQRTM成型工藝和標(biāo)準(zhǔn)RTM成型工藝的不同之處在于它用預(yù)浸料鋪層代替了干態(tài)纖維預(yù)成型體。利用自動鋪帶技術(shù)完成預(yù)浸料預(yù)制結(jié)構(gòu)的鋪覆，預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱定型處理后裝模，再將少量的RTM樹脂在壓力輔助下注入閉合模具內(nèi)，從而提供預(yù)浸料固化所需要的固化壓力，整個(gè)過程可采用自動化制造[11-14]。

SQRTM成型工藝與傳統(tǒng)的熱壓罐成型工藝相比具有以下優(yōu)勢：

（1）復(fù)合材料層合板的內(nèi)部質(zhì)量更容易控制，這主要是由于在SQRTM成型工藝中，提供預(yù)浸料壓實(shí)固化的液態(tài)壓力可由注射機(jī)精確控制，壓力穩(wěn)定性更好，同時(shí)通過注射機(jī)輸出的液態(tài)壓力可實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)，有效抑制預(yù)浸料樹脂中揮發(fā)物及水蒸氣的揮發(fā)，從而抑制孔隙的形成；

（2）由于SQRTM成型工藝中采用了雙面的閉合模具，因此，制件的變形控制及尺寸精度較熱壓罐成型工藝高；

（3）由于SQRTM成型工藝中使用的壓機(jī)和模具的熱導(dǎo)率較高，這使得復(fù)合材料在固化時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更快的升溫和冷卻，因此，相比熱壓罐成型，SQRTM成型的固化時(shí)間成本明顯降低[11-14]。

SQRTM相比傳統(tǒng)RTM成型工藝有諸多方面的優(yōu)勢。以完全浸漬的預(yù)浸料為原材料，可以避免RTM注射過程中干斑的產(chǎn)生，無需在液態(tài)樹脂中加入增韌劑來提高復(fù)合材料的韌性。不僅如此，由于該工藝和標(biāo)準(zhǔn)熱壓罐成型工藝步驟極其相似，均使用已評價(jià)合格的原材料，可以減少顧客的使用風(fēng)險(xiǎn)，提高該成型工藝的普適性[11-14]。

SQRTM成型工藝的缺點(diǎn)：模具成本較高，同時(shí)復(fù)合材料制件可設(shè)計(jì)性不能得到充分發(fā)揮。

液態(tài)成型復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用

隨著復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用和發(fā)展，液態(tài)成型等低成本復(fù)合材料制造技術(shù)也得到了巨大的發(fā)展。RTM、VARI和RFI等液態(tài)成型工藝制備的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在直升機(jī)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，例如機(jī)身、尾梁、槳葉、起落架、艙門及整流罩等均有采用液態(tài)成型技術(shù)的典型應(yīng)用。

1 RTM成型復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用

美國波音AH-64D“長弓阿帕奇”武裝直升機(jī)（Boeing AH-64D Apache Helicopter Gunships）是現(xiàn)美國陸軍主力武裝直升機(jī)，發(fā)展自美國陸軍20世紀(jì)70年代的先進(jìn)武裝直升機(jī)（Advanced Attack Helicopter，AAH）計(jì)劃。通過使用復(fù)合材料達(dá)到結(jié)構(gòu)減重約28%，制造工時(shí)減少約42%，工程設(shè)計(jì)成本減少約41%。這其中，通過RTM成型工藝等實(shí)現(xiàn)整體化制造，大量降低成本，圖2為AH-64D直升機(jī)及RTM成型中機(jī)身結(jié)構(gòu)。

美國波音RAH-66“科曼奇”（Comanche）武裝直升機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)采用了縱向3大模塊式結(jié)構(gòu)，機(jī)上復(fù)合材料重量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量約為51%。在機(jī)體結(jié)構(gòu)中使用復(fù)合材料的有蒙皮、艙門、桁條、隔框、中央龍骨梁、炮塔整流罩、風(fēng)扇尾漿護(hù)罩、垂尾及水平安定面；在旋翼系統(tǒng)中使用復(fù)合材料的有柔性梁、槳葉、自動傾斜器、扭力管、扭力臂等；在傳動系統(tǒng)中使用復(fù)合材料的有傳動軸、主減速器箱等[15-16]。柔性梁采用S2玻璃纖維和IM7碳纖維混雜和3M公司的PR500樹脂，采用RTM成型工藝；自動傾斜器采用IM7碳纖維和3M公司的PR500樹脂，采用RTM成型；地板梁和接頭也采用了RTM成型工藝，具體如圖3所示。

歐洲NH-90直升機(jī)是由英國、法國、德國、意大利和荷蘭等5國于1984年起共同研制的中型（8～9t）多用途直升機(jī)，具有全復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)，與全金屬結(jié)構(gòu)相比，其零件數(shù)目減少約20%，復(fù)合材料機(jī)身使空機(jī)重量降低約15%，同時(shí)增加了機(jī)身的剛性和耐腐蝕性，提高了損傷容限，減小了雷達(dá)和紅外特征信號，提高了抗墜毀性[17-18]。NH-90直升機(jī)艙門、龍骨梁、起落架扭力臂（Torque）和縱向推力桿（Trailing arm）均采用RTM成型工藝制造（圖4）。上下兩節(jié)扭力臂約175mm，重量為0.12～0.13kg?？v向推力桿為900mm長，總重為22kg，該部分的復(fù)合材料質(zhì)量為13kg。

圖2 RTM成型AH-64D直升機(jī)中機(jī)身結(jié)構(gòu)Fig.2 RTM molding AH-64D helicopter fuselage structure

圖3 RTM成型RAH-66直升機(jī)地板梁和接頭Fig.3 RTM molding RAH-66 helicopter floor beams and connectors

美國貝爾V-22“魚鷹”（Osprey）傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是由美國國防部“三軍聯(lián)合先進(jìn)垂直起落飛機(jī)”（JVX）提出來的，1983年，美國海軍與貝爾直升機(jī)公司簽訂了初步設(shè)計(jì)合同。機(jī)體約41%是復(fù)合材料的，機(jī)翼采用的是IM-6石墨/環(huán)氧樹脂，機(jī)身和尾翼采用的AS4復(fù)合材料，發(fā)動機(jī)短艙整流罩和塔柱支撐采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[17]，其中尾傳動軸、尾斜軸采用RTM成型。

此外，RTM成型工藝還在直升機(jī)起落架艙、機(jī)身典型結(jié)構(gòu)件、主槳轂等直升機(jī)機(jī)身部件上獲得應(yīng)用。

2 VARI成型復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用

VARI成型技術(shù)是非常適宜大型復(fù)合材料構(gòu)件成型的低成本制造技術(shù)，如翼面、壁板類結(jié)構(gòu)，與熱壓罐成型工藝相似。21世紀(jì)初，美國波音公司和美軍共同啟動了降低“阿帕奇”直升機(jī)機(jī)身重量及制造勞動成本的項(xiàng)目。由Seemann公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)工裝并用VARI成型工藝一體成型了“阿帕奇”機(jī)艙，如圖5所示。該機(jī)身為全碳纖維復(fù)合材料多筋和多墻壁板結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用了纖維縫合的技術(shù)增強(qiáng)其層間性能。

美國CH-46“海騎士”（Sea Knight）運(yùn)輸直升機(jī)采用VARI技術(shù)成型發(fā)動機(jī)整流罩，如圖6所示。此外，美國CH-47“支奴干”運(yùn)輸直升機(jī)前發(fā)動機(jī)吊架和整流罩采用了VARI技術(shù)整體成型。

圖4 RTM成型NH-90直升機(jī)起落架扭力臂和縱向推力桿Fig.4 RTM molding NH-90 helicopter torque link and trailing arm

圖5 VARI成型的阿帕奇直升機(jī)機(jī)艙Fig.5 VARI molding Apache helicopter cabin

圖6 VARI成型的CH-46直升機(jī)發(fā)動機(jī)整流罩Fig.6 VARI molding CH-46 helicopter engine fairing

3 SQRTM成型復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用

SQRTM成型工藝已經(jīng)成功地應(yīng)用于全球鷹無人機(jī)（UAV）的加長翼尖，并在SARAP（Survivable Affordable Repairable Airframe Program）項(xiàng)目的支持下制造了直升機(jī)起落架艙和一個(gè)整體式西科斯基UH-60“黑鷹”（Black Hawk）直升機(jī)機(jī)身典型結(jié)構(gòu)件[11-14]，如圖7、8所示。

圖7 SQRTM成型的復(fù)合材料起落架艙Fig.7 SQRTM molding composite gear compartment

圖8 SQRTM成型黑鷹直升機(jī)機(jī)身典型結(jié)構(gòu)件Fig.8 SQRTM molding UH-60 helicopter fuselage typical structures

結(jié)束語

針對直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，不同的液體成型工藝均有其獨(dú)特的適用性和一定的局限性，成型工藝的選擇應(yīng)充分考慮制件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求，選擇合適的成型工藝才能充分發(fā)揮其制造優(yōu)勢，例如：對于復(fù)合材料起落架支臂類、異形梁肋及螺旋槳類結(jié)構(gòu)等主承力構(gòu)件建議采用RTM成型技術(shù)；復(fù)合材料整流罩、機(jī)身蒙皮類等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的次承力構(gòu)件建議采用VARI成型技術(shù)。而且液態(tài)成型工藝的應(yīng)用范圍及應(yīng)用水平仍然有較大的進(jìn)步空間，隨著液態(tài)成型技術(shù)的發(fā)展，例如高韌性液態(tài)成型復(fù)合材料、耐高溫液態(tài)成型復(fù)合材料、復(fù)合編織-RTM、HPRTM、SQRTM、縫合/RFI等新材料和新工藝的出現(xiàn)和發(fā)展，必將進(jìn)一步推動液態(tài)成型技術(shù)在直升機(jī)上的應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]邢麗英.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料自動化制造技術(shù)[M].北京:航空工業(yè)出版社, 2014.XING Liying. Automated manufacturing technology of advanced polymer composite materials[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2014.

[2]益小蘇,杜善義,張立同.復(fù)合材料手冊[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社, 2009.YI Xiaosu, DU Shanyi, ZHANG Litong.Handbook of composites[M]. Beijing: Beijing University of Technology Press, 2009.

[3]陳祥寶.聚合物基復(fù)合材料手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.CHEN Xiangbao. Handbook of polymer matrix composites[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2004.

[4]潘利劍.先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝圖解[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2016.PAN Lijian. Advanced composite molding process diagram[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2016

[5]KRUCKENBERG T, PATON R. Resin transfer moulding for aerospace structures[M].Springer Netherlands, 1998,46: 148-176.

[6]徐竹.復(fù)合材料液體成型工藝發(fā)展及應(yīng)用[J].合成材料老化與應(yīng)用, 2016, 45(2):83-86.XU Zhu. The development and application of the LCM process[J]. Synthetic Materials Aging and Application, 2016, 45(2): 83-86.

[7]李培旭,陳萍,蘇佳智,等.復(fù)合材料先進(jìn)液體成型技術(shù)的航空應(yīng)用與最近進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料, 2016(8): 99-104.LI Peixu, CHEN Ping, SU Jiazhi, et al. The recent development of advanced liquid composite molding technology and its application aviation[J].FRP/CM, 2016(8): 99-104.

[8]趙渠森,趙攀峰.真空輔助成型技術(shù)（一）[J].高科技纖維與應(yīng)用, 2002, 27(3):22-27.ZHAO Qusen, ZHAO Panfeng. Vacuum assisted resin infusion(1)[J]. Hi-Tech Fiber &Application, 2002, 27(3): 22-27.

[9]趙渠森,趙攀峰.真空輔助成型技術(shù)（二）[J].高科技纖維與應(yīng)用, 2002, 27(4):21-26.ZHAO Qusen, ZHAO Panfeng. Vacuum assisted resin infusion(2)[J]. Hi-Tech Fiber &Application, 2002, 27(4): 21-26.

[10]趙渠森,趙攀峰.真空輔助成型技術(shù)（三）[J].高科技纖維與應(yīng)用, 2002, 27(5): 25-27.ZHAO Qusen, ZHAO Panfeng. Vacuum assisted resin infusion(3)[J]. Hi-Tech Fiber &Application, 2002, 27(5): 25-27.

[11]BLACK S. SQRTM enables netshape parts[EB/OL]. 2016-08-31. http://www.compositesworld.com/articles/sqrtm-enablesnet-shape-parts.

[12]VRIES H P J. Development of generic composite box structures with prepreg preforms and RTM[J]. Journal of the Midwest Modern Language Association, 2002, 19(2): 3-12.

[13]ROOVER C D. Highly integrated structure manufactured in one-shot with prepreg UD tape[J]. JEC Composites Magazine, 2011,48(62): 40-42.

[14]尚波. SQRTM制造凈成型件[J].玻璃鋼, 2014(3): 37-40.SHANG Bo. SQRTM manufacturing net shape[J]. FRP/CM, 2014(3): 37-40.

[15]京京.復(fù)合材料在“科曼奇”直升機(jī)上的應(yīng)用[J].國際航空, 1994(7): 21-22.JING Jing. Use of composite in comanche helicopter[J]. International aviation, 1994(7): 21-22.

[16]FALLON Jr W P , GARBO S P.Material usage and selection on the RAH-66 Comanche[C]//The 40th International SAMPE Symposium and Exhibition, California, 1995.

[17]倪先平.直升機(jī)手冊[M]. 北京:航空工業(yè)出版社, 2003.Ni Xianping. Helicopter manual[M]. Beijing:Aviation Industry Press, 2003.

[18]NITSCHKE R H, MULLER R. The system approach to crash worthiness for the NH90[C]//51th American Helicopter Society international Annual Forum 1995. Texas, 1995.