在航空航天用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，特別是主結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域，采用熱爐固化、真空袋壓預(yù)浸料即脫離熱壓罐的預(yù)浸料工藝，以其相對(duì)于傳統(tǒng)的熱壓罐預(yù)浸料工藝更加靈活、成型更快以及更加經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢顯示出了極好的應(yīng)用前景。
這種OOA固化、11.6m長的機(jī)翼結(jié)構(gòu)類似于幻影眼示范機(jī)的主梁，該機(jī)因引領(lǐng)了行業(yè)趨勢，贏得了《航空周刊》的供應(yīng)商創(chuàng)新獎(jiǎng)這一最高榮譽(yù)。兩者均由Aurora公司建造。圖片來源：Aurora公司
不使用熱壓罐、只使用真空袋（VBO）大氣壓力生產(chǎn)航空航天用復(fù)合材料，并不是什么新鮮事。用于次級(jí)結(jié)構(gòu)件（襟翼、整流罩等）的真空袋壓、熱爐固化材料系統(tǒng)已行之有效。新的發(fā)展是這種材料能夠提供不到1％的孔隙率和具備熱壓罐法產(chǎn)品質(zhì)量的力學(xué)性能，這些特征都是航空航天主結(jié)構(gòu)件，如帶集成補(bǔ)強(qiáng)件的機(jī)翼、機(jī)身和尾翼零部件所要求的。
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對(duì)非熱壓罐（OOA）加工 本文來自123
工藝的興趣也促進(jìn)了樹脂傳遞模塑（RTM）、真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）和其他液體成型工藝以及最新一代的模壓成型熱塑性塑料的使用。雖然這些工藝在那些制造高承載結(jié)構(gòu)件的廠商中獲得了越來越多認(rèn)可，但是VBO預(yù)浸料，其中涉及傳統(tǒng)的手工鋪層以及自動(dòng)化的材料鋪放方法，由于形成了獨(dú)特的優(yōu)勢結(jié)合，特別令人感興趣。
美國空軍已確認(rèn)OOA預(yù)浸料對(duì)實(shí)現(xiàn)快速且具經(jīng)濟(jì)成本的制造是至關(guān)重要的，這是美國國防部（DOD）打造未來軍事平臺(tái)所需要的，并且空軍認(rèn)為當(dāng)一個(gè)OOA預(yù)浸料系統(tǒng)能用于原型設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和備件時(shí)，就會(huì)帶來額外的成本節(jié)省。商用飛機(jī)原始設(shè)備制造商的供應(yīng)商都將采用OOA材料作為一種途徑，來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的靈活性、擺脫尺寸的限制以及模塊化/蜂窩工作流程。 內(nèi)容來自123456
然而，許多問題仍然存在。OOA材料的循環(huán)時(shí)間實(shí)際上可能會(huì)更長，這是由于低孔隙率所需要的邊緣-吸氣是一個(gè)依賴于時(shí)間的過程。其他的問題還包括膠粘劑的相容性、夾層結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量，以及在鋪層中采用自動(dòng)化。此外，因?yàn)檫@些材料是新的，必須建立一個(gè)B-基礎(chǔ)設(shè)計(jì)許用值的完整數(shù)據(jù)庫，這需要時(shí)間和金錢。
“拋開炒作的因素，OOA材料是一個(gè)很好的工具嗎？”波音研究與技術(shù)公司非熱壓罐（預(yù)浸料）制造技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)理Gail Hahn說道，“是的，但它對(duì)行業(yè)中所有的應(yīng)用都適合嗎？不一定。” 本文來自123
先進(jìn)復(fù)合材料貨運(yùn)飛機(jī)Dornier 328，證明了用$5000萬和18個(gè)月的時(shí)間能夠建造一架新的軍用運(yùn)輸飛機(jī)。該機(jī)駕駛員座艙后面被隔開以避免開發(fā)新的飛行控制系統(tǒng)的費(fèi)用，它還使用了一個(gè)全復(fù)合材料、長達(dá)18m的機(jī)身。圖片來源：洛克希德馬丁公司
為什么采用OOA預(yù)浸料？
OOA預(yù)浸料可以確保均勻的樹脂分布，并避免灌注過程中常見的干點(diǎn)和富樹脂區(qū)。此外，OOA預(yù)浸料可以在較低的壓力和溫度下固化（真空壓力相對(duì)0.59MPa的典型的熱壓罐固化壓力，在93℃或121℃固化相對(duì)傳統(tǒng)的177℃熱壓罐固化）。因此，采用OOA材料生產(chǎn)帶集成補(bǔ)強(qiáng)件的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，可以在一個(gè)周期內(nèi)固化完成，但所用工具通常是非常復(fù)雜和昂貴的，而現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)更加簡單并具成本效益的制造。再者，工具和部件的熱膨脹系數(shù)（CTE）之間的不匹配性在較低的溫度下也更小一些，因而更容易掌控 本文來自123
產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，OOA預(yù)浸料也可以成為防止因固化溫差造成部件開裂的一個(gè)可能的解決方案。
一個(gè)被最廣泛引用的OOA材料的好處是其具有降低較高資本和運(yùn)營成本的潛力。位于俄亥俄州賴特-帕特森空軍基地的美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的防務(wù)制造科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)理John Russell談到，美國航空航天局（NASA）分析了為固化直徑10m的運(yùn)載火箭筒身而建造的一個(gè)12m×24m熱壓罐固化的成本，發(fā)現(xiàn)它的建造成本約為$4000萬，另一項(xiàng)安裝加上氮?dú)夂碗娏\(yùn)行的成本為$6000萬。國防部的報(bào)告表明，未來的軍用飛機(jī)項(xiàng)目將要求小批量生產(chǎn)，預(yù)算非常少。未來的NASA項(xiàng)目也將在成本上受到更大程度的制約 123,123
。Russell指出，對(duì)于NASA和未來國防部的項(xiàng)目，如遠(yuǎn)程轟炸機(jī)和聯(lián)合未來戰(zhàn)區(qū)運(yùn)輸機(jī)（后者是C-130的繼承者，預(yù)期具有55m翼展和43m機(jī)身），它們所面臨的挑戰(zhàn)是如何應(yīng)對(duì)低產(chǎn)量——100架飛機(jī)，同時(shí)盡可能降低對(duì)資金的要求?？哲姺矫骖A(yù)測取消熱壓罐后，將會(huì)帶來資金和操作成本上的巨大節(jié)省。
商用飛機(jī)原始設(shè)備制造商的1級(jí)供應(yīng)商對(duì)此表示同意，他們看到了OOA預(yù)浸料是一種可實(shí)現(xiàn)更快速、更敏捷制造的途徑。 “我們將進(jìn)行非熱壓罐制造，因?yàn)樵谖磥磉@對(duì)許多部件而言是可行的。”英國GKN航空航天公司（以下簡稱GKN公司）技術(shù)總監(jiān)Rich Oldfield解釋說，“我們看到它通過一個(gè)完全不同的工作流程可為工廠帶來效率，相對(duì)于大型部件的熱壓罐工藝，該流程實(shí)現(xiàn)了單元式制造，省去了排列等候的時(shí)間。” GKN公司也看到這種靈活的制造方式減少了對(duì)傳統(tǒng)制造的依賴，是實(shí)現(xiàn)下一代737和A320單通道噴氣客機(jī)中復(fù)合材料預(yù)測含量達(dá)到60％~70％的關(guān)鍵。 123456
先進(jìn)復(fù)合材料貨運(yùn)飛機(jī)的機(jī)身由8個(gè)部件組成，它們采用英國先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)（ACG）提供的MTM-45預(yù)浸料經(jīng)過OOA固化制成。圖片來源：洛克希德馬丁公司
20年的革命性開發(fā)
據(jù)Russell介紹，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）從20世紀(jì)90年代中期開始關(guān)注預(yù)浸料加工，并考慮其如何被用來制作低成本復(fù)合材料項(xiàng)目的原型。第一代的OOA VBO材料，包括先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)（ACG）的LTM系列，使得大型組合部件的原型能在低溫下真空固化，因而制造起來更加便宜。這方面的知名例子包括：Scaled復(fù)合材料公司的太空船一號(hào)、白騎士一號(hào)和全球飛行器，波音公司的X45A無人作戰(zhàn)飛機(jī)（UCAV），DARPA/洛克希德馬丁公司的黑星和麥道公司的猛禽戰(zhàn)機(jī)。 123456
這些早期的預(yù)浸料比較便宜，因?yàn)樗鼈冊(cè)谳^低溫度和真空壓力下固化，但它們達(dá)不到部件所需的力學(xué)性能，而且生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間也較長。
2005~2006年間，兩種OOA預(yù)浸料系統(tǒng)——ACG的MTM45和氰特工程材料公司（以下簡稱氰特公司）的CYCOM 5215，已接近熱壓罐固化預(yù)浸料的性能。這兩種預(yù)浸料具有靈活的固化周期，在66~79℃需要較長的固化時(shí)間，但在121℃能提供較短的2h固化。此外，它們?cè)?77℃獨(dú)立固化后，還獲得了150℃以上的濕法Tg。 copyright 123456
這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了DARPA所要求的<1％的孔隙率，但其他地方不符合要求。對(duì)于其10~12天的粘性期和最高21天的敝模壽命，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和NASA都感到不滿意，因?yàn)榇笮蛷?fù)雜結(jié)構(gòu)件的鋪層和裝袋，至少需要3~4個(gè)星期。然而，最近ACG和氰特公司已經(jīng)開發(fā)出XMTM-47和CYCOM 5320-1，分別具有21天的粘性期和最低30天的敝模壽命。
2007年，一系列革命性制造技術(shù)的開發(fā)開始啟動(dòng)，非熱壓罐（預(yù)浸料）制造技術(shù)是其中主要的5種技術(shù)之一。非熱壓罐技術(shù)由DARPA和波音公司共同資助，并由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）執(zhí)行，其既定目標(biāo)是開發(fā)可以提供性能與目前普遍應(yīng)用的熱壓罐固化環(huán)氧材料相同的OOA系統(tǒng)。ACG公司為該項(xiàng)目提供了MTM45-1、MTM-44和MTM-46材料，氰特公司則提供了CYCOM X5320材料。波音公司評(píng)估了3個(gè)實(shí)驗(yàn)樹脂配方，并選定X5320，隨后氰特公司把它商業(yè)化，成為CYCOM 5320。 copyright 123456
一系列的樣件被制造出來，并經(jīng)受了有限的非破壞和解剖評(píng)價(jià)。HITCO碳復(fù)合材料公司建造了一個(gè)3.65m×4.57m的增硬表皮主結(jié)構(gòu)樣件。Aurora飛行科學(xué)公司（以下簡稱Aurora公司）建成了一個(gè)11.6m長的無人駕駛飛行器（UAV）翼梁（在一個(gè)單獨(dú)的開發(fā)中，Aurora公司為幻影眼無人機(jī)樣機(jī)建造了一個(gè)3部件、跨度為45.7m的OOA固化機(jī)翼結(jié)構(gòu)，并因此贏得《航空周刊》的供應(yīng)商創(chuàng)新金獎(jiǎng)）。波音公司為可長途續(xù)航的60％尺度的幻影眼無人機(jī)樣機(jī)建造了懸臂和尾翼，按計(jì)劃該機(jī)將在明年初開始飛行試驗(yàn)。波音公司還提交和公開了碳預(yù)浸料的材料規(guī)范草案和工藝規(guī)范草案。 本文來自123
作為該計(jì)劃第二階段的一部分，波音下屬的圣路易斯公司制造了長達(dá)21m的部件，包括一個(gè)主梁和3種不同的機(jī)翼表皮結(jié)構(gòu)：一種厚板增強(qiáng)的表皮，使用了Grafil公司的HR 40 12K高模量碳纖維；一種增硬的表皮，使用了氰特T40/800B中模量碳單向帶以及由氰特Thornel T-650/35 3K碳纖維制成的高強(qiáng)度織物；一種夾層結(jié)構(gòu)的表皮，使用了非金屬的蜂窩芯。
這4種部件都使用相同的模具制造，使波音公司能對(duì)成品板材按照質(zhì)量、生產(chǎn)的困難程度、可檢測性以及技術(shù)成熟水平進(jìn)行比較。 本文來自123
也許迄今為止，最成功的大型OOA固化結(jié)構(gòu)件的驗(yàn)證來自先進(jìn)復(fù)合材料貨運(yùn)飛機(jī)（ACCA）。當(dāng)空軍部長下達(dá)任務(wù)開發(fā)一架新型軍用運(yùn)輸機(jī)，并且只用$5000萬和18個(gè)月的時(shí)間來完成（國防部下達(dá)的指標(biāo)）時(shí)，洛克希德馬丁公司用一架Dornier 328飛機(jī)參加了美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的競爭招標(biāo)。該飛機(jī)的駕駛員座艙后面被隔開，以避免開發(fā)新的飛行控制系統(tǒng)的費(fèi)用，并且增加了一個(gè)全復(fù)合材料、18m長的機(jī)身，它分8塊制造，整個(gè)結(jié)構(gòu)使用了ACG公司的VBO固化MTM-45材料。雖然該項(xiàng)目持續(xù)了7個(gè)月（已超過
最后期限），但是該項(xiàng)目的制造工程師、美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的Russell表示：“ACCA的花費(fèi)在預(yù)算之內(nèi)，并且取得了成功。” 123,123
準(zhǔn)備好了，但要等待資格認(rèn)證
OOA預(yù)浸料已達(dá)到用于飛機(jī)主結(jié)構(gòu)件的熱壓罐固化系統(tǒng)同等的物理性能，并且?guī)讉€(gè)產(chǎn)品正在進(jìn)行資格認(rèn)證當(dāng)中。先進(jìn)材料性能國家中心（NCAMP）已完成針對(duì)CYCOM 5215和9個(gè)MTM45-1產(chǎn)品的許可試驗(yàn)，包括單向和編織石英纖維、平紋編織碳纖維G30-500、高抗拉強(qiáng)度（HTS）12K碳單向帶，E-玻纖和6781型S-2玻纖預(yù)浸料。纖維由AGY公司提供，織造由JPS玻璃纖維織物公司完成。NCAMP對(duì)于與MTM46以及CYCOM 5320-1相似的9個(gè)系統(tǒng)的測試也將很快完成。ACG宣布，它將在明年發(fā)放其XMTM47系統(tǒng)（“X” copyright 123456
很快會(huì)被刪除）的使用許可，該系統(tǒng)是ACG與NAVAIR合作設(shè)立的輕型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（LCS）項(xiàng)目的一項(xiàng)研發(fā)成果。
然而，在行業(yè)內(nèi)對(duì)于資格認(rèn)證和獲得一個(gè)完整的許用值數(shù)據(jù)庫也存在著爭論。 “我們的OOA技術(shù)處于一個(gè)準(zhǔn)備好的水平，可以相對(duì)較快地把它用于產(chǎn)品中。”GKN公司的Rich Oldfield說，“目前只是缺乏材料許可的可用性，因?yàn)楝F(xiàn)在還沒有任何針對(duì)OOA預(yù)浸料系統(tǒng)的B基礎(chǔ)許用值數(shù)據(jù)庫。”這一聯(lián)邦航空局（FAA）認(rèn)可的統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，來自復(fù)合材料片層和層壓板批量試驗(yàn)，是復(fù)合材料獲得在軍用或商用飛機(jī)主結(jié)構(gòu)上應(yīng)用許可的先決條件。ACG公司的研究和技術(shù)副總裁Chris Ridgard解釋說：“NCAMP不會(huì)對(duì)機(jī)身制造商提供的每項(xiàng)性能進(jìn)行測試。”它也不會(huì)像防衛(wèi)項(xiàng)目要求的那樣測試很多的樣品——大約1400~1500件，國防項(xiàng)目則要求3000件。“NCAMP對(duì)材料進(jìn)行測試，并將測試值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，但只有一個(gè)特定的防衛(wèi)平臺(tái)可以判定一種材料有資格在軍機(jī)中使用。”美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的Russell解釋道，“通常要花費(fèi)$300萬~500萬來開發(fā)一個(gè)完整的B基礎(chǔ)許用值數(shù)據(jù)庫，但還沒有一家供應(yīng)商出面迎接這種挑戰(zhàn)。”Russell指出，NCAMP測試提供的數(shù)據(jù)，不被任何一家公司或防衛(wèi)平臺(tái)所獨(dú)家擁有，比如正在龐巴迪公司和空中客車公司進(jìn)行的資格認(rèn)證所提供的數(shù)據(jù)。 內(nèi)容來自123456
氰特公司的產(chǎn)品經(jīng)理Mark Ostermeier稱，CYCOM 5320和5320-1是在單獨(dú)的專有項(xiàng)目中進(jìn)行資格認(rèn)定的。氰特公司已經(jīng)宣布它將供應(yīng)碳纖維復(fù)合材料，用于龐巴迪公司Learjet 85飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)件和次結(jié)構(gòu)件。龐巴迪公司報(bào)道該飛機(jī)的受壓機(jī)身將采用氰特公司提供的一種低壓、熱爐固化及非熱壓罐的碳纖維。
ACG公司的OOA材料正在空中客車公司進(jìn)行資格認(rèn)證?？罩锌蛙嚬镜姆菬釅汗藜夹g(shù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人DavidInston解釋說：“MTM44-1符合空中客車公司為一個(gè)特定的2x2斜紋布所制定的規(guī)范。然而，它對(duì)一個(gè)特定的應(yīng)用還屬于不完全合格。”雖然這是一個(gè)機(jī)織織物的規(guī)格，但它只能用于次級(jí)結(jié)構(gòu)而不能用于主結(jié)構(gòu)。該材料的資格認(rèn)證已接近完成，這標(biāo)志著MTM44-1將第一次用于實(shí)際飛機(jī)的部件?？罩锌蛙嚬九cGE航空公司達(dá)成一項(xiàng)協(xié)議，由后者為A350生產(chǎn)輔助機(jī)翼結(jié)構(gòu)，包括機(jī)翼檢視板和機(jī)翼后緣。 本文來自123
Inston指出，空中客車公司雖公布過一個(gè)針對(duì)MTM44-1單向產(chǎn)品的規(guī)范，并已建造了一個(gè)主結(jié)構(gòu)的樣件，但是還沒有對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的資格認(rèn)證測試。“空中客車公司現(xiàn)在正在確定進(jìn)一步開發(fā)OOA材料應(yīng)用的路線，包括潛在的主結(jié)構(gòu)件用途。”他補(bǔ)充道。
GKN公司使用微波固化，使OOA固化周期縮短了80％（縮至90min）。微波爐比熱壓罐更具效率，由于它只加熱復(fù)合材料，因此縮短了加熱和冷卻的時(shí)間，并降低了能耗。圖片來源：GKN公司
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為了低孔隙度需要較長的時(shí)間
然而，制造商警告說，不要對(duì)生產(chǎn)中的OOA預(yù)浸料產(chǎn)生不合理的期望。例如，它們“快速”制備原型的優(yōu)勢，可能無法轉(zhuǎn)化為“快速”生產(chǎn)，因?yàn)榭紫逗磕繕?biāo)不能降低。ACG公司的Ridgard解釋道：“在OOA工藝中，揮發(fā)性物質(zhì)不僅包括在鋪層過程中所包埋的空氣，還有環(huán)氧樹脂暴露在周圍空氣中時(shí)吸收的水分（1%~2％），因此揮發(fā)物的去除涉及到一個(gè)“邊緣呼吸”的策略。為此，層壓板的邊緣必須與透氣材料接觸，并且必須采用一種保持空氣逃逸路徑的方式來布置材料。真空袋材料和工藝過程與采用熱壓罐工藝是一樣的，但真空的質(zhì)量至關(guān)重要，因?yàn)閵A帶空氣的抽取是一個(gè)隨時(shí)間變化的過程，而OOA的固化周期通常較長。”氰特公司推薦在OOA預(yù)浸料部件初始固化前應(yīng)保持真空。這是鋪層過程中除了壓實(shí)外所必需的條件，并且在不移除真空袋下進(jìn)行。保持長度取決于部件的大小和復(fù)雜性，范圍從4h成型0.6m×0.6m的部件，到16h成型6m×12m、采用共固化增硬的結(jié)構(gòu)。 內(nèi)容來自123456
然而，GKN公司的技術(shù)負(fù)責(zé)人John Cornforth警告說：“當(dāng)你談?wù)揙OA在真空中要花費(fèi)更多的時(shí)間時(shí)，你必須小心，因?yàn)橐恍釅汗薏牧弦残枰^長的真空時(shí)間。”他指出，對(duì)比替代系統(tǒng)是非常困難的，因?yàn)檎婵諌毫?、固化溫度和循環(huán)時(shí)間等特定過程的細(xì)節(jié)，非常依賴于每個(gè)部件的具體情況。
ACG公司的Ridgard聲稱整體時(shí)間的損失真的不會(huì)比采用熱壓罐生產(chǎn)更大。他說：“如果你在176℃固化MTM45-1，例如，你不得不在121℃駐留2h——因?yàn)樯郎剡^高，使樹脂粘度下降過快，從而封閉空氣路徑，這樣你只增加了2h。你也可以靈活選擇在121℃或93℃進(jìn)行較長時(shí)間的固化（額外的真空時(shí)間是算在內(nèi)的），然后進(jìn)行獨(dú)立的后固化，以獲得相同的性能。” copyright 123456
然而，GKN公司可能已發(fā)現(xiàn)無需額外循環(huán)時(shí)間的一種方法。該公司開發(fā)了微波固化，可將熱壓罐和OOA材料的典型固化循環(huán)時(shí)間縮短達(dá)80％——只需90min。據(jù)報(bào)道，微波只加熱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，而模具和熱爐室保持冷卻，從而大大縮短了加熱和冷卻時(shí)間，以及能源消耗。此外，GKN公司還看到了該工藝的另外一個(gè)好處，即能夠有選擇性地固化部件的結(jié)構(gòu)，這可使部分固化的結(jié)構(gòu)整合在一起，將來再共固化成總裝配部件。GKN公司利用ACG公司的MTM材料已開始進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備，目前正在用微波固化與傳統(tǒng)熱壓罐材料及工藝進(jìn)行比較，以確定最佳參數(shù)。 123456
夾層表面和OOA膠粘劑
在研究具有重要意義的OOA固化蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)的工作中，ACG公司已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。Chris Ridgard解釋說：“袋壓和鋪層技術(shù)基本上和熱壓罐固化是相同的，但是芯材的排氣變得非常重要。”用于熱壓罐固化的高壓，不允許蜂窩芯內(nèi)的空氣流入層壓板的表皮，但是在OOA固化中，這種高壓是不存在的。因此，在樹脂軟化之前，空氣必須從夾芯格子中除去，因?yàn)檩^低的OOA壓力可能讓空氣流入表皮中，導(dǎo)致高孔隙率。加拿大McGill大學(xué)在2010年SAMPE會(huì)議上發(fā)表的論文指出，如果在加熱前，蜂窩內(nèi)的 123456
壓力降低到0.05MPa或更低，空氣就不會(huì)溢出面板，即空氣在固化循環(huán)中仍然留在芯材中。Ridgard稱，使用一種輕質(zhì)的玻璃纖維網(wǎng)格布（如54g/m2紗羅織物）作為透氣材料，可防止表皮由于芯材內(nèi)的壓力而脫粘。這項(xiàng)技術(shù)是在25年前英國航空公司針對(duì)復(fù)合材料修補(bǔ)所確立的，但一些人認(rèn)為它不是最佳的解決方案，因?yàn)橥笟獠牧媳粚訅旱綂A層中，增加了部件的重量。
美國國家航空航天局（NASA）的運(yùn)載火箭（先前的“戰(zhàn)神V”）可以成為因采用OOA預(yù)浸料而節(jié)省大筆金錢的一個(gè)很好例證。該項(xiàng)目如果采用12m×24m的熱壓罐，估計(jì)成本達(dá)到$1億。NASA的復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)高級(jí)顧問Mark Shuart相信，一旦直徑達(dá)10m的火箭筒身部分被證明可以使用OOA工藝，那么航空航天復(fù)合材料的制造將發(fā)生極大的變化。圖片來源：NASA 123,123
膜狀膠粘劑的發(fā)泡，也可以使空氣遷移到表皮，這會(huì)影響膠粘帶的形成，進(jìn)而損害表皮和芯材的粘接質(zhì)量。許多用于蜂窩夾芯的普通膜狀膠粘劑，在OOA加工中所使用的高真空水平下都會(huì)發(fā)泡。ACG公司發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡受到膜狀膠粘劑載體的類型、蜂格尺寸和固化溫度的影響。該公司通過對(duì)這些變量進(jìn)行研究，開發(fā)了MTA241，它與MTM材料相容，并且在標(biāo)準(zhǔn)的OOA固化循環(huán)內(nèi)不會(huì)發(fā)泡。“我們知道，VBO工藝需要一整套的OOA材料。”波音公司的Hahn說道。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的Russell也同意這種觀點(diǎn)，他說：“膜狀膠粘劑和膏狀膠粘劑需要與OOA系統(tǒng)相容。當(dāng)OOA向前發(fā)展時(shí)，整套材料都必須是相容的。 copyright 123456
OOA蜂窩夾層的另一個(gè)問題是避免單次固化時(shí)發(fā)生表面點(diǎn)蝕。“一個(gè)漂亮的OOA夾層表面需要有一層表面齊整的薄膜。”Hahn說道。在最近為2個(gè)1.2m×2.4m的測試面板進(jìn)行的試驗(yàn)中，其中一半使用了表面薄膜，另一半沒有使用，結(jié)果有薄膜的一半形成了一個(gè)更好的表面（沒有表面孔隙）。ACG公司不太擔(dān)憂表面點(diǎn)蝕的問題，因?yàn)槠湓跓釅汗薰袒瘖A層結(jié)構(gòu)中經(jīng)常使用表面薄膜作為銅網(wǎng)或其他防雷保護(hù)（LSP）材料的載體。ACG公司已開發(fā)了MTM246表面改善薄膜，用于它的OOA預(yù)浸料，而氰特公司推薦其靈活固化的S 內(nèi)容來自123456
urfaceMaster SM 905產(chǎn)品，該產(chǎn)品已被用于許多OOA項(xiàng)目中。
更高的浸漬用于自動(dòng)化
自動(dòng)化已成為OOA發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。非熱壓罐復(fù)合材料的纖維鋪放是2009~2011年的一個(gè)研發(fā)項(xiàng)目，由國防部長辦公室（OSD）、美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）、國防后勤局（DLA）和海軍研究辦公室（ONR）制造技術(shù)計(jì)劃聯(lián)合資助。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是開發(fā)用于OOA材料的自動(dòng)纖維鋪放（AFP）工藝，包括關(guān)鍵工藝參數(shù)的確定，如鋪放速率，并通過制造全尺寸的航空航天部件來驗(yàn)證該過程。參加者包括波音圣路易斯公司、GKN公司、HITCO碳復(fù)合材料公司、洛克希德馬丁公司和Spirit空間系統(tǒng)公司。該項(xiàng)目所使用的自動(dòng)化設(shè)備則來自于ElectroImpact公司、Ingersoll機(jī)床公司以及MAG工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)公司。 123456
據(jù)Ridgard稱，大多數(shù)用于手工鋪層的OOA預(yù)浸料在一定程度上結(jié)合了干纖維的工藝路線，它允許在固化過程中抽取空氣，但結(jié)果不能形成100％的浸漬。這就是使用編織緊密的E玻纖或石英織物的OOA預(yù)浸料得不到充分浸漬的原因。然而，在AFP中使用的材料通常要求具有更高的浸漬水平。氰特公司解釋說，自動(dòng)鋪帶（ATL）中使用的OOA預(yù)浸料被分割成152~305mm的寬度，它們不像一般用于AFP的3.2mm、6.4mm或12.7mm窄帶子那樣敏感。在這些帶子中沒有干纖維，因?yàn)閹ё愉伔艜r(shí)，干纖維移向邊緣并聚集， 123456
而帶子在使用時(shí)其邊緣會(huì)發(fā)生脫落。這可以解釋為什么用于AFP的OOA預(yù)浸料可能和VBO系統(tǒng)雖具有相同的化學(xué)性質(zhì)，但它經(jīng)常使用最高的浸漬水平。
盡管如此，假定AFP應(yīng)用的邊緣壓緊力以及在壓力和熱量下材料的鋪放能力能夠減輕空氣夾帶的問題，氰特公司仍然建議自動(dòng)鋪帶采用和手工鋪層OOA層壓板相同的真空保持度。“這個(gè)問題和其他問題正被前面提到的OSD纖維鋪放項(xiàng)目所研究探討，”Russell稱，“我們不知道鋪帶邊緣的壓力是否將阻斷空氣路徑，這可能會(huì)導(dǎo)致孔隙度出現(xiàn)問題。”MTM-45和CYCOM 5320-1將被評(píng)估，用于AFP制備的戰(zhàn)機(jī)機(jī)翼表皮部件中。該項(xiàng)目將比較各類自動(dòng)化設(shè)備，并以相同方式跟蹤每個(gè)樣件的鋪放時(shí)間，所用標(biāo)準(zhǔn)是由聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）項(xiàng)目制定的標(biāo)準(zhǔn)。 123456
GKN公司應(yīng)用其在OOA材料自動(dòng)化鋪層方面超過10年的經(jīng)驗(yàn)來生產(chǎn)10.5m長、全截面纖維復(fù)合材料的翼梁樣件，該部件和為A400M軍用運(yùn)輸機(jī)提供的前后翼梁相似，后者是2005~2009年空中客車公司領(lǐng)導(dǎo)的先進(jìn)低成本飛機(jī)結(jié)構(gòu)（ALCAS）項(xiàng)目的一部分。在生產(chǎn)過程中，首先一臺(tái)西班牙MTorres公司提供的11軸龍門式高速鋪帶機(jī)使用HTS 268g/m2的碳織物MTM44-1預(yù)浸料進(jìn)行鋪層；然后這種“扁平帶”被自動(dòng)地轉(zhuǎn)移到碳纖維模具中，模具再被放入一臺(tái)雙隔膜成型壓力機(jī)中，20min后成型為C型截面半成品；該層壓半成品再經(jīng)過袋壓和固化（采用真空壓力，所需熱量來自集成在模具中的電器元件，初始固化溫度為130℃，后固化溫度為180℃），一個(gè)27mm厚、孔隙率<2％的翼梁部件就得以制造完成。該樣件目前正在空中客車英國公司進(jìn)行測試。 123,123
采用加熱的模具已經(jīng)成為GKN公司固化OOA的傳統(tǒng)方法。“電或液體加熱的模具使你能夠不使用熱壓罐和熱爐，”Rich Oldfield說道，“它還允許更精確地控制固化過程，包括局部加熱，以適應(yīng)不同厚度的部件，并消除熱點(diǎn)和冷點(diǎn)。”GKN公司認(rèn)為即使整體加熱的模具，其成本也只比標(biāo)準(zhǔn)模具略高一些，但它大大縮短循環(huán)時(shí)間以及擺脫傳統(tǒng)約束的好處提供了一個(gè)整體上的經(jīng)濟(jì)收益。此外，這項(xiàng)技術(shù)也非常有利于更高速的制造。
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批評(píng)者爭辯說，自動(dòng)化鋪層依然依賴大量的資金成本，因此這只是“換湯不換藥”。而GKN公司卻進(jìn)行了機(jī)器投資，它認(rèn)為與OOA固化相結(jié)合的自動(dòng)化鋪層會(huì)帶來非常顯著的成本節(jié)省。自動(dòng)鋪層也不必像典型的手工鋪層那樣，因使用了預(yù)浸料支撐薄膜而需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行100％的檢測。
BMI和超越 123456
OOA雙馬來酰亞胺（BMI）系統(tǒng)的開發(fā)，是OOA工藝發(fā)展中一個(gè)“安靜的革命”。直到Russell在鹽湖城召開的秋季SAMPE會(huì)議上稱：這應(yīng)該成為每一家公司的一個(gè)目標(biāo)，BMI 才為業(yè)界所關(guān)注。ACG公司在今年5月份通過演示宣布，它正在開發(fā)一種OOA BMI，并將在2011年年底之前完成篩選，2012年產(chǎn)生數(shù)據(jù)。氰特公司也表示，它將開發(fā)OOA BMI。
Maverick公司已生產(chǎn)聚酰亞胺樹脂達(dá)17年之久，并向預(yù)浸料制造商銷售這類樹脂，如Renegade材料公司。事實(shí)上，Maverick公司和Renegade材料公司自2008年以來，就保持密切合作。最近，Akron聚合物系統(tǒng)公司和NASA Glenn公司作為合作伙伴也加入進(jìn)去，共同開展OOA材料用于高溫復(fù)合材料應(yīng)用項(xiàng)目的研究。這項(xiàng)工作受益于最近從美國俄亥俄州獲得的Third Frontier Grant基金。該團(tuán)隊(duì)自籌和俄亥俄州的配套資金將在兩年內(nèi)達(dá)$200萬，在此期間，他們將開發(fā)使用溫度達(dá)204~371℃的BMI和聚酰亞胺系統(tǒng)。 123456
Maverick公司總裁兼產(chǎn)品開發(fā)總監(jiān)Robert Gray博士稱，聚酰亞胺的使用溫度為204~371℃，成本在$220~551/kg之間，而BMI樹脂可提供高達(dá)177℃的熱/濕性能，成本僅為$154~220/kg。BMI樹脂更容易加工，因?yàn)槠洳幌窬埘啺吩诠袒^程中會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)副產(chǎn)物，例如水和乙醇。Gray相信大多數(shù)加工廠受限于加工只針對(duì)高溫應(yīng)用的BMI材料。因此，Maverick公司計(jì)劃在配制VBO固化預(yù)浸料時(shí)采用分子量更高的系統(tǒng)以代替粘度非常低的樹脂，來減少加工聚酰亞胺的復(fù)雜性。
本文來自123
聚酰亞胺復(fù)合材料的軍事用途包括：噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的導(dǎo)向壓縮機(jī)的定子葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)背后的排氣瓣及外部旁路管道。聚酰亞胺結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)對(duì)商業(yè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)里面和周圍的極端環(huán)境。Maverick公司和Renegade公司已經(jīng)確定了聚酰亞胺的許多結(jié)構(gòu)性應(yīng)用，包括無人機(jī)（UAV）和隱形應(yīng)用。通過提供加工更經(jīng)濟(jì)的OOA聚酰亞胺，Maverick公司的項(xiàng)目可以幫助飛機(jī)設(shè)計(jì)師通過減少絕緣和屏蔽的需要來減輕部件的重量。這對(duì)于對(duì)重量異常敏感的運(yùn)載火箭和其他空間平臺(tái)尤為重要。
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目前，PMR-15（氰特公司提供的牌號(hào)為2237 CYCOM）是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的聚酰亞胺，需要在1.38MPa進(jìn)行熱壓罐固化。Gray解釋說：“復(fù)合材料制造商很少有大型的高溫?zé)釅汗?。如果我們能脫離熱壓罐加工聚酰亞胺，就可以極大地增強(qiáng)高溫復(fù)合材料部件供應(yīng)商的能力，并擴(kuò)展這些輕質(zhì)材料的應(yīng)用。”
然而，推動(dòng)OOA BMI的因素是什么呢？行業(yè)顧問Jeff Hendrix認(rèn)為，大多數(shù)要求耐熱溫度在135℃以上的BMI和聚酰亞胺部件都被用于發(fā)動(dòng)機(jī)中，并且通常要求它們的尺寸不是很大。這些部件適合于目前的熱壓罐工藝，實(shí)際上大多數(shù)是模壓成型的。“不是使用溫度高促使人們選擇BMI，而是其在較低溫度下的卓越缺口沖擊性能使它們對(duì)許多方案都有吸引力。”Hendrix解釋道，“真正令人滿意的OOA系統(tǒng)是其可以在82～121℃范圍內(nèi)匹配BMI的缺口沖擊性能，這對(duì)環(huán)氧樹脂基系統(tǒng)頗為理想。” 123,123
美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的Russell表示同意，并指出：“5250-4 BMI（氰特公司生產(chǎn)）被大量地用于JSF項(xiàng)目中，該應(yīng)用不需要較高的工作溫度，選擇5250-4 BMI僅僅是因?yàn)槠錈?濕性能提供了更高的比剛度和比強(qiáng)度，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)更輕的結(jié)構(gòu)。”
Russell還看到了將來的項(xiàng)目對(duì)于更高耐溫性能的需求，他說：“一些涉及聯(lián)合未來戰(zhàn)區(qū)運(yùn)輸機(jī)的概念，將催生一種類似于巨大的F-22的運(yùn)輸機(jī)，其發(fā)動(dòng)機(jī)緊挨著機(jī)身，排放的廢氣穿過水平尾翼表面。這些主結(jié)構(gòu)的溫度可能會(huì)超過環(huán)氧樹脂的耐熱能力。因此，我們對(duì)OOA BMI感興趣。”Russell稱，NASA對(duì)BMI產(chǎn)生興趣的原因是，在運(yùn)載火箭的頭錐使用BMI可以避免使用昂貴、笨重的絕緣材料。單單減輕重量就足以證明使用更貴的BMI是合理的，更不用說它還有利于原材料和勞動(dòng)力的節(jié)省。“我們與Stratton復(fù)合材料公 123,123
司有$60萬的合作項(xiàng)目涉及非熱壓罐BMI的開發(fā)。”Russell指出。
波音公司的Hahn說：“有些人看不到OOA BMI所帶來的許多好處。作為一家飛機(jī)制造商，我會(huì)問材料供應(yīng)商，他們是否有一種OOA BMI可在相當(dāng)?shù)偷墓袒瘻囟认驴梢赃_(dá)到足夠的初始強(qiáng)度。因?yàn)殚_發(fā)新的項(xiàng)目時(shí)，所要求的使用溫度通常升高而不是下降。” 123456
不再使用熱壓罐嗎？
NASA的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高級(jí)顧問Mark Shuart談到，當(dāng)截面直徑為10m的部件被證明可以采用OOA成功加工時(shí)，航空航天復(fù)合材料的制造將會(huì)呈現(xiàn)很大的相同。但有些人會(huì)說沒有那么簡單。“對(duì)于要采用的技術(shù)來說，它必須具有經(jīng)濟(jì)意義。”Hahn說道。Hendrix表示同意。“如果你的生產(chǎn)計(jì)劃已經(jīng)有了一個(gè)熱壓罐和材料數(shù)據(jù)庫，那么你不必刻意采用OOA，”他說道，“只有從原型到生產(chǎn)更經(jīng)濟(jì)，或者為大型共固化結(jié)構(gòu)件減少模具的復(fù)雜性，才會(huì)有意義。” 123456
氰特公司的Mark Ostermeier預(yù)測，OOA中會(huì)更加占據(jù)主導(dǎo)地位。但他警告說，航空航天業(yè)將仍然是保守的。“龐巴迪公司的Learjet機(jī)型在謀求一個(gè)全OOA復(fù)合材料機(jī)身方面已經(jīng)邁開了一大步，”他說道，“但大多數(shù)廠家的大型商業(yè)結(jié)構(gòu)件可能還在等等再看。”
Ostermeier看到軍用航天航空領(lǐng)域走向OOA的速度比商用飛機(jī)更快，并且如果NASA可靠地生產(chǎn)出非熱壓罐的運(yùn)載火箭，他預(yù)測這可以相當(dāng)大地改變復(fù)合材料的制造方式。Hendrix對(duì)此保持懷疑，他說：“我相信OOA的前途是光明的，但人們應(yīng)該小心，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為它十分便宜。” copyright 123456
Hahn認(rèn)為，OOA用于實(shí)際生產(chǎn)和研發(fā)項(xiàng)目的功效比較是一個(gè)大問題，決策的推動(dòng)力往往是一個(gè)項(xiàng)目的截止日期。“我們正在考慮的OOA材料的成本與使用的熱壓罐主結(jié)構(gòu)材料相同，”她說道，“如果這些OOA材料允許我們?cè)?周內(nèi)完成模具，然后更快速地進(jìn)行原型開發(fā)和生產(chǎn)，那么它們可以在針對(duì)某一應(yīng)用的商業(yè)開發(fā)中獲勝。”
性能要求：CAI與OHC copyright 123456
美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）非熱壓罐研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人John Russell最近在猶他州鹽湖城召開的秋季SAMPE會(huì)議上宣稱：“使用沒有微裂紋的高模量纖維，可使我們提高25％的缺口沖擊性能。”盡管OOA預(yù)浸料供應(yīng)商在減少纖維微裂紋方面做得不是很多，但ACG公司已經(jīng)宣布其XMTM47材料將于明年商業(yè)化，該材料的設(shè)計(jì)基于120℃的使用溫度及所要求的缺口性能的改善。缺口壓縮強(qiáng)度通常采用開孔壓縮（OHC）實(shí)驗(yàn)來測量。ACG的XMTM47材料的目標(biāo)是104℃濕法OHC 達(dá)到43ksi。現(xiàn)有的一個(gè)更韌性的系統(tǒng)如MT 123,123
M45-1的OHC約為35ksi。
然而，根據(jù)NCAMP(國家先進(jìn)材料性能中心)副主任Yeow Ng所言，如果OOA預(yù)浸料被用于商用飛機(jī)，則其壓縮后抗沖擊性能（CAI，表明損傷容許度）將增加。在Stephen Trimble為《Flight Daily News》最新撰寫的文章中，Ng指出，MTM45-1達(dá)不到商業(yè)飛機(jī)監(jiān)管機(jī)構(gòu)所要求的強(qiáng)度公差。波音787結(jié)構(gòu)的沖擊后壓縮（CAI）強(qiáng)度的測量值是40s（ksi），但MTM45-1的CAI 值在30ksi以下。 123,123
ACG公司的研究和技術(shù)副總裁Chris Ridgard回應(yīng)道：“許多用在Hawker Beech、Embraer、Gulfstream以及龐巴迪飛機(jī)中的結(jié)構(gòu)件都是用熱壓罐固化Hexcel 8552（CAI≈30 ksi）和氰特977-2（CAI≈37ksi）預(yù)浸料制成的。”他還指出，用于Learjet 85、正在進(jìn)行資格認(rèn)證的CYCOM 5320，其公布的CAI值為26.5ksi。他說：“在OOA成為一種趨勢之前，這種辯論已經(jīng)存在很久了，它起始于20世紀(jì)70年代的熱壓罐材料和建立在特定應(yīng)用需求基礎(chǔ)上的不同設(shè)計(jì)理念。”曾是英國航空航天公司結(jié)構(gòu)工程師的Ridgard解釋道：“軍事上的應(yīng)用是被缺口應(yīng)變推動(dòng)的。軍事應(yīng)用要求結(jié)構(gòu)上的任何地方都可有一個(gè)孔存在，并提供一定程度的余量用于戰(zhàn)斗損傷和螺栓的維修。因此，軍用飛機(jī)都傾向于使用具有較高OHC值而韌性較低的樹脂系統(tǒng)。” 他繼續(xù)說道，“對(duì)于具有相對(duì)較少扣件的大型結(jié)構(gòu)件的大型商用飛機(jī)來說，一些飛機(jī)制造商偏好使用具有極高CAI值和高破壞應(yīng)變的高增韌樹脂系統(tǒng)。” copyright 123456
ACG公司稱將開發(fā)一種CAI高于40s的OOA系統(tǒng)，這是一種高度增韌的系統(tǒng)，用于商用飛機(jī)領(lǐng)域。氰特公司稱，這也將是其下一個(gè)工作的重點(diǎn)。當(dāng)被問及是OHC還是CAI推動(dòng)Aurora飛行科學(xué)公司的無人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，該公司的結(jié)構(gòu)工程師Ed Wen回應(yīng)道：“兩者都有推動(dòng)作用。”這與波音公司Gail Hahn的觀點(diǎn)一致：“我們知道采用不同材料系統(tǒng)的重要性，因此我們將采用一系列的OOA預(yù)浸料來滿足不同的設(shè)計(jì)要求。”
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真空粘接蜂窩夾層
在《先進(jìn)復(fù)合材料的保養(yǎng)和維修》一書（由汽車工程師協(xié)會(huì)所屬的Warrendale公司在1997年出版）中，英國航空公司擁有復(fù)合材料制造和修復(fù)24年經(jīng)驗(yàn)的Keith Armstrong博士講述了有關(guān)“在蜂窩中，單獨(dú)用0.1MPa的真空獲得足夠的膜狀膠粘劑的粘合壓力”的問題，他寫道：當(dāng)真空泵開始從真空袋中抽取空氣時(shí)，一些空氣從蜂格中去除，尤其是靠近板材的邊緣。然而，當(dāng)真空壓力增加時(shí)，膜狀膠粘劑在蜂格的兩端形成一個(gè)密封，并且空氣不再被抽取。 內(nèi)容來自123456
在英國航空公司的試驗(yàn)中，一塊邊長為0.3m的正方形測試板因真空條件下加熱造成的內(nèi)部壓力而不能在中心區(qū)域粘接。Armstrong稱，在120℃固化過程中，甚至更高的180℃固化中，蜂格內(nèi)的壓力將增加1.5倍，因此他建議相應(yīng)地減小蜂窩夾層內(nèi)的壓力。對(duì)于120℃的固化，如果一個(gè)0.1MPa的真空施加于蜂窩夾層，則夾層內(nèi)的壓力在加熱之前需要減小到4MPa。Armstrong解釋道：“這種非穿孔蜂窩板的制造技術(shù)，是在膠粘劑和蜂窩之間夾層的一個(gè)面上使用了一種合適的織物。英國航空公司選用了一種無紡聚酯單絲織物，有時(shí)也被稱為定位布，它通常用作膜狀膠粘劑的載體，具有較低的吸水性能。 本文來自123
他強(qiáng)調(diào)說，無論選擇什么織物，其厚度不應(yīng)超過0.076mm（英國航空公司選用的兩層織物的厚度為0.038mm），膜狀膠粘劑應(yīng)包括1層1.36kg/m3層或2層0.096kg/m3層，以確保能有足夠的膠粘劑量來吸附織物，并且在表皮和蜂格末端之間形成充分的膠粘帶。
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