三維編織復(fù)合材料及RTM工藝進(jìn)展

    三維編織解決了增強(qiáng)材料的整體成型問(wèn)題，而RTM工藝正是適于整體成型的一種工藝方法，促進(jìn)了其在航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用。RTM三維編織復(fù)合材料是完全的整體結(jié)構(gòu)，它的比強(qiáng)度、比模量高，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，使采用復(fù)合材料來(lái)制作主承力結(jié)構(gòu)件和特殊的多功能制件成為可能。目前，采用RTM-三維編織復(fù)合材料可以制作飛行器、汽車等上面的多種不同形狀的承力梁、接頭、多種形式的耐燒蝕、承力的圓筒型、錐筒型的制作，還可在人造生物組織方面發(fā)揮作用，制作人造骨、人造韌帶，以及制作接骨板等。RTM-三維編織復(fù)合材料具備其它材料所無(wú)法達(dá)到的性能，大大減輕了這些制件的重量，并且使其性能得到提高。RTM-三維編織復(fù)合材料具有廣闊的發(fā)展前景，是許多高新技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的一種新材料。
    5  一種改進(jìn)的RTM-三維編織復(fù)合材料成型工藝
    隨著全球火箭、導(dǎo)彈和宇航技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行器飛行中的高過(guò)載以及高能量推進(jìn)劑產(chǎn)生的高熱流等惡劣條件對(duì)耐熱層提出了更加苛刻的耐燒蝕、耐熱流沖刷以及機(jī)械力學(xué)性能等方面的要求。以基體、增強(qiáng)纖維和界面相為主組成的復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、功能特性、材料可設(shè)計(jì)性及易成型等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前主要的燒蝕材料。固體火箭噴嘴的整流罩主要由二維增強(qiáng)酚醛樹脂預(yù)浸后，放入熱壓罐中在高溫高壓下固化成型。由于工藝步驟較多，成本相對(duì)偏高，但生產(chǎn)出來(lái)的制品力學(xué)性能較差，特點(diǎn)是層間強(qiáng)度較低。改進(jìn)其成型工藝有三個(gè)目前：1、提高力學(xué)材料性能，減少部分或全部的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；2、簡(jiǎn)化工藝流程使其對(duì)環(huán)境更加友好；3降低成本。
    5.1  增強(qiáng)體的選擇                           
    為克服二維織物復(fù)合材料層間強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，采用三維整體編織增強(qiáng)體。三維整體編織構(gòu)件使復(fù)合材料的增強(qiáng)部為不分層的整體，具有比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層間強(qiáng)度低、易沖擊損傷的缺點(diǎn)。這里采用針織型三維整體編織增強(qiáng)體。
    5.2  樹脂選擇

    樹脂的選擇根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用高含碳量酚醛樹脂，酚醛樹脂在火焰燒蝕下樹脂會(huì)碳化，形成一層在高溫下十分穩(wěn)定的多孔碳均勻附在纖維表面上，對(duì)纖維起到“強(qiáng)化”作用，從而提高了材料的耐燒蝕性能。此外適合成型工藝的樹脂體系要求在注膠溫度下樹脂具有較低的粘度，對(duì)纖維增強(qiáng)體浸潤(rùn)性好。且樹脂在注膠溫度下有足夠的凝膠時(shí)間以保證樹脂能完全通過(guò)模具并浸潤(rùn)纖維增強(qiáng)體。因此，需對(duì)樹脂進(jìn)行改性使其粘度保持在一定水平以滿足注射工藝條件，同時(shí)得到的制品孔隙率較低。由于整個(gè)工藝生產(chǎn)的這類型產(chǎn)品較少，每年僅僅幾個(gè)。因此盡可能在原有投資的基礎(chǔ)上改進(jìn)工藝，特別是酚醛樹脂制品固化過(guò)程中使用現(xiàn)有的熱壓罐。
    5.3  注射方法                           
    纖維增強(qiáng)體被放置在一根金屬心軸上，然后將其放入熱壓罐加熱至注射溫度。模具頂部抽成真空，樹脂在壓力作用下從底部注射入模具。當(dāng)模具內(nèi)充滿樹脂時(shí)，樹脂輸送閥門關(guān)閉，開(kāi)始固化過(guò)程。由于整流罩和尾噴管整流錐形狀尺寸有較大的不同，因此設(shè)計(jì)了兩套不同的注射方案。整流罩的纖維增強(qiáng)體平行于模具軸線放置，樹脂從底部注射入模具內(nèi)。在模具頂部抽真空的同時(shí)，提供一定的注射壓力，使基體樹脂沿軸線流動(dòng)至模具頂部。屬噴管整流錐要比整流罩高，而且纖維增強(qiáng)體的定位不同。因此，在模具頂部抽真空時(shí)，樹脂連續(xù)地注入模具內(nèi)并呈現(xiàn)為許多圓環(huán)狀。在滲透增強(qiáng)體預(yù)制件前，樹脂沿著液體方向流動(dòng)。這種方法特別適合制備較高的零件。