三維編織復合材料及RTM工藝進展

    三維編織解決了增強材料的整體成型問題，而RTM工藝正是適于整體成型的一種工藝方法，促進了其在航空、航天領域的應用。RTM三維編織復合材料是完全的整體結構，它的比強度、比模量高，具有優良的力學性能，使采用復合材料來制作主承力結構件和特殊的多功能制件成為可能。目前，采用RTM-三維編織復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-三維編織復合材料具備其它材料所無法達到的性能，大大減輕了這些制件的重量，并且使其性能得到提高。RTM-三維編織復合材料具有廣闊的發展前景，是許多高新技術領域中不可缺少的一種新材料。
    5  一種改進的RTM-三維編織復合材料成型工藝
    隨著全球火箭、導彈和宇航技術的飛速發展，飛行器飛行中的高過載以及高能量推進劑產生的高熱流等惡劣條件對耐熱層提出了更加苛刻的耐燒蝕、耐熱流沖刷以及機械力學性能等方面的要求。以基體、增強纖維和界面相為主組成的復合材料由于其優異的力學性能、功能特性、材料可設計性及易成型等優點，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酚醛樹脂預浸后，放入熱壓罐中在高溫高壓下固化成型。由于工藝步驟較多，成本相對偏高，但生產出來的制品力學性能較差，特點是層間強度較低。改進其成型工藝有三個目前：1、提高力學材料性能，減少部分或全部的加強結構；2、簡化工藝流程使其對環境更加友好；3降低成本。
    5.1  增強體的選擇                           
    為克服二維織物復合材料層間強度低的缺點，采用三維整體編織增強體。三維整體編織構件使復合材料的增強部為不分層的整體，具有比強度高、比模量大、可設計性好等優點，同時克服了層合結構復合材料層間強度低、易沖擊損傷的缺點。這里采用針織型三維整體編織增強體。
    5.2  樹脂選擇

    樹脂的選擇根據經驗采用高含碳量酚醛樹脂，酚醛樹脂在火焰燒蝕下樹脂會碳化，形成一層在高溫下十分穩定的多孔碳均勻附在纖維表面上，對纖維起到“強化”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，對纖維增強體浸潤性好。且樹脂在注膠溫度下有足夠的凝膠時間以保證樹脂能完全通過模具并浸潤纖維增強體。因此，需對樹脂進行改性使其粘度保持在一定水平以滿足注射工藝條件，同時得到的制品孔隙率較低。由于整個工藝生產的這類型產品較少，每年僅僅幾個。因此盡可能在原有投資的基礎上改進工藝，特別是酚醛樹脂制品固化過程中使用現有的熱壓罐。
    5.3  注射方法                           
    纖維增強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。當模具內充滿樹脂時，樹脂輸送閥門關閉，開始固化過程。由于整流罩和尾噴管整流錐形狀尺寸有較大的不同，因此設計了兩套不同的注射方案。整流罩的纖維增強體平行于模具軸線放置，樹脂從底部注射入模具內。在模具頂部抽真空的同時，提供一定的注射壓力，使基體樹脂沿軸線流動至模具頂部。屬噴管整流錐要比整流罩高，而且纖維增強體的定位不同。因此，在模具頂部抽真空時，樹脂連續地注入模具內并呈現為許多圓環狀。在滲透增強體預制件前，樹脂沿著液體方向流動。這種方法特別適合制備較高的零件。