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复材外涵为航空发动机“中国心”助力

更新于:2018-01-02   来源:中国航空报   点击:100次

装有复合材料外涵机匣的欧洲M88-2型发动机。

某型发动机复合材料外涵机匣。

某新型发动机复合材料外涵机匣。
 
聚酰亚胺树脂体系典型工艺示意图。


       航空发动机复合材料外涵机匣在加力式涡扇发动机上使用,在我国尚属首次。它是连接发动机承力框架,形成外涵通道和安装外部附件的承力结构,长期使用温度在280℃左右,结构形式相对复杂。外涵机匣是由碳纤维增强的聚酰亚胺树脂制成,这种材料的使用温度高,耐疲劳性好,比强度、比模量高。现代航空发动机正在向高推重比、高机动性发展,耐高温聚酰亚胺复合材料可应用于发动机的冷端部位,满足新一代发动机的增推减质的要求。国外已经投入使用的发动机如F404、F110、F119、F120、F414、M88-2均采用聚酰亚胺树脂基复合材料外涵机匣。

       由聚酰亚胺树脂基体和增强纤维两大组分组成的预浸料,铺叠在模具上后,在保持一定温度和压力工艺条件下,固化成型结构件的复合材料,称为热压成型聚酰亚胺基复合材料。聚酰亚胺树脂为耐热性能和抗热氧化稳定性能优良的热固性树脂基体,热压成型聚酰亚胺基复合材料的基体树脂以PMR型聚酰亚胺树脂为主,在国外主要按照其耐热性能分为三代,第一代使用温度为280~316℃,第二代使用温度为350~371℃,正在研制的第三代使用温度为400~420℃。国内热压成型聚酰亚胺基复合材料的发展与国外类似,先后研制了第一、第二代以及第三代热压成型聚酰亚胺基复合材料,并得到了实际应用或进行了考核验证。热压成型聚酰亚胺基复合材料的预浸料采用湿法制备,主要采用模压或热压罐工艺热压固化成形结构件,要求高温高压,固化温度在310~400℃,固化压力在1.5~4.0MPa。目前,中航复合材料有限责任公司已经具备一代到三代聚酰亚胺树脂基复合材料的原料及构件批产能力。

       某型聚酰亚胺树脂基复合材料外涵机匣现已进入批产阶段。外涵机匣使用温度在-45~280℃左右,结构形式分为前、后两段,前段外涵为金属安装边、安装座与复合材料壳体铆接,由内外盖板连接的全长对开式结构;后段为金属安装座与复合材料翻边锥筒铆接结构。

       某新型发动机复合材料外涵机匣结构形式为全程对开、前后金属翻边结构,工作温度在-60~350℃。

       外涵机匣结构形式的不同导致机匣成型时形成的缺陷种类也不尽相同。例如:预处理过程中存在大量挥发酚无法排除会造成开敞及非开敞结构机匣的大面积分层和空隙密集,成型时树脂粘度较高和高温树脂成型后内应力会造成非开敞结构转角R区分层。

       聚酰亚胺树脂在反应过程中需要经过溶剂挥发、酰胺化、亚胺化、交联固化等多个阶段,整个工艺过程比较复杂。其中前三步为预处理阶段,主要是单体之间的相互反应并伴随有大量的气体产生,同时树脂粘度从极低的几十厘泊变化到几十万厘泊,然后经过高温高压发生交联固化反应,树脂成型工艺十分复杂。

       故聚酰亚胺树脂与碳纤维复合材料的生产工艺的关键是如何选择合适的工艺方法,才能将树脂配置过程中和预处理过程中的小分子气体及时完全的排出,否则气体包埋在制件内部,就会导致零件产生气孔缺陷,从而影响复合材料的力学性能。

       目前,聚酰亚胺基复合材料由于其材料的特殊性,面临着稳定性较差,合格率偏低等问题。经过多年的技术积累,中航复合材料有限责任公司已经能够稳定地进行航空发动机复合材料外涵机匣的批生产任务,突破了高温树脂基复材构件成型中的种种技术困难,拥有多项专利技术,在高温树脂基复合材料构件领域进入了世界先进行列。 文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-246-5999.html


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