國產碳纖維復合材料及其在飛行器上應用技術高技術產業化示范工程項目資金申請報告-資料下載頁

　　

【正文】 100nm左右。（3）購買全自動比表面積及中孔、微孔分析儀可有效分析國產碳纖維復合材料中的微孔缺陷。當國產碳纖維與飛機用樹脂體系復合時，由于在成型過程中小物質分子的揮發，溶劑的殘留等等都會在復合材料內部產生空隙，嚴重影響材料的性能。全自動比表面積及中孔、微孔分析儀可以全自動快速有效地分析比表面積及中孔/微孔，進行單點、多點BET比表面積、BJH中孔、孔分布、孔大小及總孔體積和面積等多種數據分析。（4）購買高加速壽命試驗箱/環境應力篩選試驗箱和應力應變綜合數據采集纖維增強復合材料的強度不僅依賴于各組元的性能，更是與損傷積累和失效的機理有關，其失效行為通常非常復雜，所以纖維增強復合材料的強度比其彈性模量更難于預測。材料中損傷產生的方式以及損傷累積到某種臨界狀態而發生最終失效的過程受復合材料結構多方面因素的影響，包括纖維類型及其分布、纖維長徑比、纖維與基體間的界面粘接等。目前，預測纖維增強復合材料強度的軟件由于在模擬失效時存在不確定性，應用時需要慎重。對材料的機械性能的了解和掌握是進行結構設計和應用的基礎。每種產品在設計之前，都應根據材料的工作環境，對材料的基礎參數和性能進行測試和分析。高加速壽命試驗箱/環境應力篩選試驗箱和應力應變綜合數據采集主要用于測試服役環境下的國產碳纖維復合材料性能演化。（5）購買納米壓痕儀和研究級智能數字全自動立體顯微鏡界面是復合材料極為重要的微結構，它作為增強纖維與基體連接的“紐帶”對復合材料的物理、化學及力學性能有著至關重要的影響。第一，界面影響到纖維與基體之間的應力傳遞，從而決定復合材料的強度，尤其是偏軸強度；第二，界面影響到復合材料損傷累積與裂紋的傳播歷程，從而決定復合材料的斷裂韌性；第三，界面直接影響到復合材料的耐環境、介質穩定性，甚至影響到復合材料的功能。樹脂基復合材料之所以具有優異的性能，是因為它兼備了增強纖維與樹脂基體的優點。但由于增強纖維與基體間的結合及應力傳遞均取決于界面的性能，因此，纖維與基體間的界面粘接情況的好壞，將直接影響整個復合材料的性能。由于復合材料的界面附近物質含量很少，而且結構相當復雜，因此界面結構的表征始終是一個難題。通過納米壓痕儀和研究級智能數字全自動立體顯微鏡可有效地表征國產碳纖維復合材料的界面結構與性能。 采用的技術路線及技術特點（1） 技術路線（見下頁）不同溫度、濕度下復合材料性能多參數試驗表征材料組分、界面對復合材料性能演化的影響規律成型工藝對復合材料性能影響的規律和表征環氧樹脂體系其它成型方法界面設計熱壓罐成型雙馬樹脂體系多尺度損傷分析復合材料損傷演化動力學方程濕/熱/力耦合損傷蔓延跟蹤算法復合材料損傷演化過程的可視化仿真多體系國產碳纖維復合材料性能預測模擬結果是否與實際相符YN濕熱、疲勞條件物理化學變化服役環境的數值模擬技術服役環境的試驗模擬技術材料性能測試微觀組織分析脆性韌性轉變機制吸水動力學行為力學性能測試DMTA斷口微觀組織形貌微觀結構損傷分析模型微觀結構損傷演化動力學方程微觀結構損傷機理微觀結構演變機制（2）技術特點通過本平臺的建立，圍繞國產碳纖維及其復合材料微觀結構的量化表征與性能演化規律，技術特點如下：（1）采用國際先進測試分析手段對國產碳纖維表面組織結構進行量化表征，為界面增效設計奠定關鍵基礎；（2）以界面擴散與界面反應理論為基礎，重點研究國產碳纖維與飛機用樹脂體系基體浸潤、粘結過程的相容性原理，揭示了國產碳纖維表面形態對纖維與樹脂復合物理化學本質及相容性的影響；（3）通過界面微結構的系統分析，研究復合材料微結構的物理化學組成和結構特性的變化與規律，建立了復合材料微結構的表征參量體系；（4）通過宏微觀匹配對復合材料性能影響規律的研究，建立多目標、多參量的界面增效設計理論；（5）通過復合材料損傷萌生－增長－累積－蔓延的全程模擬，預報復合材料性能演化規律，實現復合材料演化過程的可視化仿真。（6）建立濕熱環境下與疲勞載荷作用下國產碳纖維復合材料性能演化的分析預報方法。 設備選型及主要技術經濟指標具體情況如下見表6：表6. 設備型號及主要技術經濟指標序號設備名稱型號生產廠家單位數量設備價格（萬元、萬美元）單價合計其中外匯1全自動顯微接觸角測量儀OCA40德國臺122222全自動激光拉曼光譜儀LabRAM Aramis法國臺135353全自動比表面積及中孔、微孔分析儀ASAP 2020系列美國臺180804哈克模塊化先進旋轉流變儀HAAKE MARS德國臺115155高加速壽命試驗箱/環境應力篩選試驗箱REAL96美國臺115156納米壓痕儀NHT歐洲臺11601607應力應變綜合數據采集中國套175758研究級智能數字全自動立體顯微鏡SteREO Discovery V12德國臺19898合計500 平臺建設費用 1．建設工期為三年，即2008～2011年，該平臺經費預算1400萬元，具體見下表：。表7. 各項任務經費分配及需求科目投資金額（萬元）設計費200材料費340外協加工費0專用費300試驗費300固定資產管理費60管理費150工資費50合 計1400 建立預浸料制備技術與適用性評價平臺在我國有多家研究和制造預浸料的研究院所和生產廠，一部分是生產高性能的碳纖維及芳綸纖維增強高性能樹脂基體的預浸料，用于航天航空工業中。一部分是普通性能的預浸料，用于釣魚竿等體育器材的生產中。但無論是高性能還是普通預浸料，其供應數量也不能完全滿足國內需求，尚需一定量的進口預浸料。而且，尚無利用國產碳纖維批量生產的預浸料，也無專為自動帶鋪放工藝研制和生產的預浸料。因此有必要建立預浸料制備技術與適用性評價平臺，以滿足航空制造業對原材料的需求。 項目的產能規模（1）年產500噸碳纖維復合材料預浸料。（2）年產500件各類碳纖維復合材料制品，包括神舟飛船用碳纖維復合材料主承力結構件、風云二號等衛星用碳纖維復合材料結構件等。 建設的主要內容 平臺技術建設采用理論與實踐相結合的方法，利用先進的儀器設備、合理的方案開展以下主要研究工作：1）預浸料成型理論與方案的設計熱熔預浸成型方法理論研究樹脂種類、組分、含膠量的優選2）預浸料成型工藝研究預浸料成型過程中多尺度（束間、束內）浸漬模型預浸料成型過程中介態材料性能演化預浸料成型工藝參數優化與質量控制 3）預浸料適用性評價預浸料基本性能測試表征預浸料適用性評價體系研究4）國產碳纖維預浸料工業化制造技術研究樹脂基體與纖維的浸漬溫度、壓力及速度等工藝參數關系研究寬幅預浸料切分和收卷方法研究 平臺基礎建設購置熱熔預浸機、激光投影鋪層定位系統等關鍵工藝設備。1）熱熔預浸機預浸機是一種先進的復合材料半成品生產設備，由其生產的預浸料可任意裁減成需要的形狀，鋪放成任意角度，是一種廣泛應用于復合材料模壓和鋪放等工藝的半成品。預浸料鋪放工藝是復合材料結構件成型一種不可缺少的重要工藝。哈玻院現有一臺熱熔預浸機，是八十年代中期進口美國自動化動力公司（Automatic Dynamics）的實驗室設備，幅寬只有300mm，該機是專門為實驗室研究工藝技術和材料性能而制造的小型設備，在設計上不具備連續生產功能，主要表現在兩方面：主牽引電機功率偏小，長時間使用易發熱，需停機；同時預浸料冷卻臺的冷卻能力不高，長時間使用時預浸料冷卻不完全，不能正常收卷。生產效率有限。目前該機使用近二十年，其張力控制系統、樹脂供應系統和動力系統等部件經過長期使用已嚴重老化，設備聯動性差，長時間使用會出現樹脂供應不穩定、纖維張力不均勻等現象，導致預浸料的厚度、含膠量和力學性能波動較大，嚴重影響鋪放質量。一旦出現這些現象就必須停機檢查和進行調整。該設備雖經兩次大修改造，但由于型號已被淘汰，廠家已不生產該設備，無法購置相應配件，改造效果一直不理想。預浸料生產能力嚴重不足的問題是哈玻院復合材料批量生產急需解決的最大瓶頸問題。急需購置一臺幅寬1000mm預浸機，以滿足生產要求。2）激光投影鋪層定位系統復合材料激光投影鋪層定位系統是近幾年才發展起來的一種先進的復合材料專用設備。目前已在飛機制造、造船、汽車和建筑等領域的復合材料加工/鋪層、布線、噴漆、定位、切割等工藝中被采用，效果顯著。它采用全數字化生產過程：自動下料機切割下料；通過激光定位進行鋪層，顯著提高鋪層的精度、連續性、質量和工作效率。與傳統手工鋪層比主要優點如下：精度為手工鋪層的4倍，效率可提高40%。可節省鋪層模板及其相關的裝配、存儲、修理等費用，簡化鋪層過程，提高精度，減少人為錯誤，降低報廢率，從而降低生產成本。對生產時間和材料的使用可進行實時跟蹤。通過改變數據文件，可立即完成鋪層尺寸和形狀的改變。自動校驗，修正工裝位置，避免工裝移動造成的鋪層錯誤。神舟飛船用碳纖維復合材料主承力結構件、風云二號等衛星用碳纖維復合材料結構件等采用的都是鋪放工藝方式成型，鋪層復雜，角度變化多。鋪層完全依靠人工鋪放，層數靠人工計數，精度差，產品尺寸不穩定，生產效率低，質量不易控制。需購置1臺激光跟蹤投影定位系統自動監測產品的鋪層狀態和數量，及時糾正工藝中的操作失誤，提高產品的鋪層效率、鋪層精度和成品率，保證產品的質量穩定性。 采用的工藝技術路線及技術特點1）預浸料制造和成型工藝技術路線預浸料制造結構優化設計工藝方案確定預浸料下料工裝模具設計、加工工藝參數確定鋪放成型固化加工脫模無損探傷試驗總體尺寸及形位公差檢驗表面涂裝包裝出廠芯模表面處理原材料復檢預浸樹脂體系研究2）預浸料制造和成型技術特點自纖維增強聚合物基復合材料誕生之日起，人們就不斷地研究和開發新的制造工藝技術。近年來，預浸料成型技術發展迅猛。預浸料生產技術是一種機械化程度非常高的工藝技術，其各種參數一經確定，即可進入小批量生產階段，產品質量重現性相當高，工藝質量非常穩定。采用預浸料成型制品則是制造高性能復合材料的重要方法之一。預浸料是將增強材料與樹脂基體充分浸漬形成的帶狀或片狀中間基材，是一種可供流通的半成品。預浸料可任意裁減成需要的形狀，鋪放成任意角度，可廣泛應用于復合材料模壓和鋪放等工藝。目前，已經商品化的預浸料種類和牌號很多，其性能不同，用途也不同。但具有特殊用途的預浸料尚需自行研制。可用于預浸料的增強材料種類有玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等有機纖維，增強材料的形式有單向纖維、無緯帶、織物或氈等；可用的基體有熱固性和熱塑性樹脂。制造預浸料的工藝方法也有很多種，如：溶液法、熱熔法、纖維混雜法、靜電粉末法、流化床法等等。目前國內外應用的熱熔預浸料，絕大部分樹脂基體是高性能、高成本的樹脂體系，加之熱熔預浸工藝中所用輔助材料較多，而且價格偏高，致使熱熔預浸料的成本較高。如果采用碳纖維、芳綸纖維、PBO纖維等高性能纖維作增強材料，就會生產出高性能高成本的熱熔預浸料，用于具有高要求的航天航空及軍事產品中。由于樹脂含量均勻、揮發物含量低等優點，高性能高成本預浸料被廣泛應用于航天航空制品中。哈玻院自九十年代初開始研究預浸料工藝原理和工藝技術，積累了大量研究數據和實際經驗，已研究開發成功多種規格的航天用碳纖維預浸料，在神舟飛船和其他國家重點軍工項目中得到實際應用。 設備選型及主要技術經濟指標1）熱熔預浸機由于該設備是制造軍用復合材料的關鍵設備，國外對中國封鎖很嚴，美國等國家禁止向中國出口。在國內，只有山東光威集團、杭州機電設計研究院（以下簡稱杭州院）等少數幾家單位生產。擬選用杭州院的設備，其整套設備價格為550萬元。技術參數如下：基材寬度：1000mm紗筒個數：400個工作車速：110m/min退卷筒芯內徑：Φ76毫米 筒芯外徑：Φ100毫米退卷最大直徑：Φ600毫米收卷最大直徑：Φ700毫米收卷筒芯內徑：Φ254毫米，筒芯外徑：Φ264毫米傳動方式：交流電機分部傳動，全數字調速系統。浸漬工作壓力為（0~）177。，可任意調節。加熱方式：熱油循環加熱加熱板、熱壓輥工作溫度為（90~130℃）177。3℃,可任意調節。冷卻方式：循環介質冷卻冷卻板工作溫度≤10℃。年產纖維預浸料500噸。系統價格： 550萬元2）激光投影鋪層定位系統激光投影跟蹤鋪層定位系統國內沒有廠家生產。國外廠家也很少，該設備僅有美國LPT公司的LPT1型激光定位系統和加拿大Virtek公司生產的Laseredge系統兩種，兩個系統的價位基本相同，功能相近。加拿大Virtek公司生產的Laseredge系統與美國LPT公司的LPT1型激光定位系統的技術性能差異如下表：表8 LPT1與Laseredge技術指標比較技術指標LPT1Laseredge工作范圍~15m3~6m或10~15m聚焦功能自動聚焦手動聚焦通訊接口快速以太網并行接口真實3D功能（通過Z軸對目標投影/接收反射）有無投影頭機箱冷卻系統有無投影頭內置計算機有無（需要獨立的計算機）（反射式）電流計CTI6850CTI6820機箱形式全封閉防塵機箱不全封閉系統投影精度177。”177。”逆向建模精度177。17