Ecologische constructie van schimmels-Adaptieve koolstofvezelprepregs voor nieuwe materialen in de lucht- en ruimtevaart

In het proces van het upgraden van lucht- en ruimtevaartapparatuur richting diepe ruimteverkenning en hypersonische vluchten zijn lichtgewicht, hoge betrouwbaarheid en aanpassingsvermogen aan extreme omgevingen kerneisen geworden. Koolstofvezelprepregs, als het belangrijkste basismateriaal voor structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart, hun prestatiedoorbraken en toepassingscompatibiliteit bepalen rechtstreeks het technologische plafond van lucht- en ruimtevaartapparatuur. Momenteel is er op het gebied van nieuwe materialen in de lucht- en ruimtevaart in China een belangrijke doorbraak geweest, met schimmelcompatibiliteit als kernoriëntatie, waarbij de transformatie van koolstofvezelprepregs werd bevorderd van 'levering van één product' naar 'constructie van een ecosysteem met een volledige- keten', waarbij lang- bestaande problemen werden aangepakt, zoals de incompatibiliteit tussen prepregs en het vormen van mallen, onvoldoende processynergie en een lage productie-efficiëntie, waardoor een belangrijke impuls werd gegeven aan de domesticatie en de- hoogwaardige ontwikkeling van lucht- en ruimtevaartapparatuur.

I. Technologische doorbraken in koolstofvezelprepregs in de lucht- en ruimtevaart: matrijscompatibiliteit als kernfocus

Koolstofvezelprepregs zijn de belangrijkste tussendragers van met koolstofvezel versterkte composieten. Door de precieze combinatie van koolstofvezelversterking en harsmatrix integreren ze de hoge specifieke sterkte en lichtgewichteigenschappen van koolstofvezels diepgaand met de vervormbaarheid en functionaliteit van harsen, en dienen ze als sleutelmaterialen voor de hoofdlast-dragende structurele componenten van lucht- en ruimtevaartapparatuur (zoals romphuiden, hoofdbalken van vleugels, beugels voor raketmotoren, enz.). Hoewel China voorheen grootschalige productie van koolstofvezelprepregs voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen had gerealiseerd, waren er aanzienlijke tekortkomingen in de compatibiliteit van matrijzen. De afmetingen, krommingen en vormprocessen van mallen voor verschillende soorten ruimtevaartapparatuur variëren enorm. Traditionele prepregs werden meestal op een gestandaardiseerde manier geproduceerd, wat leidde tot problemen zoals ongelijkmatige vezelimpregnatie, onvoldoende hechting aan mallen en buitensporige maatafwijkingen na uitharding. Deze problemen hadden niet alleen invloed op de precisie en betrouwbaarheid van structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart, maar leidden ook tot een lage productie-efficiëntie en hoge schrootpercentages.

In de afgelopen jaren, met de toenemende vraag naar precisie en integratie in lucht- en ruimtevaartapparatuur, hebben de doorbraken in de koolstofvezel-prepreg-technologie zich geconcentreerd op het kernprobleem van "matrijscompatibiliteit", waarbij drie belangrijke upgrades werden bereikt en technische knelpunten werden doorbroken:

De eerste is de doorbraak in op maat gemaakte harssystemen. Voor de giettemperatuur- en drukparameters van verschillende mallen hebben we compatibele harsformuleringen ontwikkeld, zoals prepregs van polyimidehars die geschikt zijn voor mallen op hoge- temperaturen en prepregs van epoxyhars met hoge- taaiheid die geschikt zijn voor mallen met complexe gebogen oppervlakken. Door technologieën zoals nano{4}}SiO₂-modificatie te introduceren, is de glasovergangstemperatuur van de uitgeharde prepregs verhoogd tot meer dan 180 graden, heeft de buigmodulus 140 GPa bereikt en is het sterktebehoud binnen een breed temperatuurbereik hoger dan 90%, wat perfect aansluit bij de extreme vormvereisten van matrijzen voor de lucht- en ruimtevaart.

Ten tweede wordt door de intelligente upgrade van het voorbereidingsproces, waarbij het traditionele proces met constante-temperatuur wordt vervangen door een gradiënttemperatuurcontroleproces, door het ontwerp van nauwkeurige temperatuurregeling in fasen, de afwijking van de harskristalliniteit van de prepreg binnen ±2% gecontroleerd, wordt de impregnatiesnelheid van de vezelbundel verhoogd van 85% naar 98% en wordt de grensvlakafschuifsterkte verhoogd tot meer dan 55 MPa, waardoor problemen zoals een slechte hechting van de prepreg en concentratie van interne spanning tijdens complexe schimmels worden opgelost. vormen.

Ten derde is de mogelijkheid om de grootte en vorm aan te passen verbeterd. Voor-vooraf geïmpregneerde materialen met verschillende breedtes, diktes en richtingen van de vezelopmaak kunnen worden aangepast op basis van de specifieke afmetingen en de complexiteit van het oppervlak van de mal, zodat wordt voldaan aan het volledige scala aan vereisten, van mallen met micro-precisiecomponenten tot mallen met een grote raketrompstructuur. Voor de mal van de korte kamer van de raketmotor worden bijvoorbeeld op PEEK-gebaseerde voor-geïmpregneerde materialen aangepast, waarbij het temperatuurbereik wordt uitgebreid tot -270 graden tot 1800 graden, waardoor wordt voldaan aan de vereisten voor het vormen van extreme temperatuurbereiken.

Tegelijkertijd heeft China voortdurend doorbraken geboekt in de binnenlandse vervanging van hoogwaardige, vooraf- geïmpregneerde materialen. De voor-luchtvaart- en ruimtevaartkwaliteit geïmpregneerde materialen van bedrijven als Zhongfu Shenyi en Guangwei Composites hebben de relevante verificaties doorstaan ​​en worden geleidelijk toegepast op binnenlandse passagiersvliegtuigen en ruimtevaartapparatuur, waardoor het internationale monopolie wordt doorbroken en een productfundament wordt gelegd voor de constructie van een vorm-adaptief ecosysteem. Vanuit het perspectief van industriële gegevens is het zelfvoorzieningspercentage van T800 en hoger geïmpregneerde materialen in China gestegen tot 52%, en het adaptieve kwalificatiepercentage van kern-voorgeïmpregneerde materialen in de lucht- en ruimtevaartsector is gestegen van 65% naar 92%, waardoor de productiekosten en de cyclus van structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart aanzienlijk zijn verlaagd.

II. Kernarchitectuur van de mal-Adaptieve koolstofvezel pre-Ecosysteem van geïmpregneerd materiaal: volledige-ketensynergie en koppeling

Het bouwen van een ecosysteem van -adaptief koolstofvezelvoor-geïmpregneerd materiaal is niet slechts een upgrade van een enkel product, maar een volledig-ketensamenwerkingssysteem dat zich richt op 'matrijsvereisten', waarbij materiaalonderzoek en -ontwikkeling, matrijzenproductie, productieverwerking, testen en certificering, en recycling worden geïntegreerd. Het bereikt een gesloten lus van "vraag - onderzoek en ontwikkeling - productie - applicatie - iteratie", waarbij de kernarchitectuur vier belangrijke schakels omvat en een wederzijds ondersteunend en gecoördineerd ontwikkelingsecosysteem vormt.

(1) Vraagzijde: nauwkeurige afstemming van vereisten voor matrijzen en ruimtevaartapparatuur

Het startpunt van de constructie van ecosystemen is de daadwerkelijke vraag naar ruimtevaartapparatuur. Door een samenwerkingsmechanisme op te zetten tussen het ontwerp van lucht- en ruimtevaartapparatuur, de productie van matrijzen en onderzoek en ontwikkeling op het gebied van voorgeïmpregneerd materiaal, worden de maatparameters, vormprocessen en prestatie-eisen van de matrijs vooraf nauwkeurig op elkaar afgestemd, en worden de bijpassende normen voor voorgeïmpregneerde materialen verduidelijkt. Voor de mal van de satellietradarafdekking worden bijvoorbeeld voor-cyanaatesterhars voorgeïmpregneerde materialen op maat gemaakt en wordt de vezelopmaakmethode geoptimaliseerd om te zorgen voor een nauwkeurige afstemming van het voor-geïmpregneerde materiaal met het vormvormingsproces. Voor de mal van de hoge-huid van een vluchtvoertuig zijn voor-polyimidehars voorgeïmpregneerde materialen ontwikkeld die passen bij de uithardingsparameters bij hoge- temperaturen van de mal, waardoor een synchrone afstemming van de prestaties van het voor-geïmpregneerde materiaal en de vormvereisten van de mal wordt bereikt. Tegelijkertijd wordt, vertrouwend op de iteratieve eisen van lucht- en ruimtevaartapparatuur, de gezamenlijke upgrade van mallen en voor-voorgeïmpregneerde materialen gepromoot, waardoor een koppelingsmechanisme wordt gevormd van "de vraag naar apparatuur → matrijsoptimalisatie → pre-iteratie van geïmpregneerd materiaal".

(2) Onderzoeks- en ontwikkelingskant: collaboratieve innovatie van materiaal- en schimmelaanpassingstechnologie

De onderzoeks- en ontwikkelingskant richt zich op de kern van 'materiaal{0}}vormaanpassing', het opzetten van een geïntegreerd onderzoeks- en ontwikkelingsplatform, het integreren van technische hulpmiddelen op het gebied van koolstofvezelgrondstoffen, harssystemen en matrijsontwerp, en het doorbreken van belangrijke kerntechnologieën.

Enerzijds optimaliseert u voortdurend het prepreg-productieproces, bevordert u de intelligentie van het impregnatieproces, gebruikt u online laserbewakingstechnologie en verbetert u de regelnauwkeurigheid van de vezelvolumefractie tot ± 0,5%. Ontwikkel apparatuur met hoge-precisie, zoals elektromagnetische inductieverwarmingsrollen, optimaliseer de verdeling van het temperatuurveld, verminder prestatieschommelingen veroorzaakt door menselijk ingrijpen en zorg voor de consistentie van de prepreg en de mal.

Aan de andere kant worden, door samen te werken met matrijzenfabrikanten, compatibiliteitstests tussen matrijzen en prepregs uitgevoerd. Op basis van parameters zoals de complexiteit van het oppervlak van de mal en de vormdruk worden aanpassingen gedaan aan de vezeldichtheid en het harsgehalte van de prepregs om problemen aan te pakken zoals slechte hechting en uithardingsvervorming die optreden tijdens het aanpassingsproces. Daarnaast richt het R&D-onderdeel zich op milieubescherming en eisen op het gebied van energieverbruik, waarbij bio{2}}gebaseerde harsprepregs worden ontwikkeld die de VOC-uitstoot met 90% en de CO2-voetafdruk met 73,2% verminderen, in lijn met de groene ontwikkelingstrend van de industrie.

(3) Productie-einde: flexibele productie om aan diverse matrijsvereisten te voldoen

Door te breken met het traditionele gestandaardiseerde productiemodel, werd een flexibel productiesysteem opgezet om een ​​nauwkeurige afstemming tussen prepregproductie en matrijsvereisten te bereiken. Door de introductie van geautomatiseerde productielijnen en intelligente controlesystemen kunnen de breedte, dikte en vezeloplegrichting van de prepregs flexibel worden aangepast. Verschillende productieparameters voor prepregs die overeenkomen met verschillende matrijzen kunnen snel worden omgeschakeld, waardoor wordt voldaan aan de eisen van diverse matrijzen, variërend van kleine precisiecomponenten tot grote raketlichaamsstructuren. Voor de precisiemallen van kleine satellietcomponenten wordt bijvoorbeeld kort-cut prepreg-giettechnologie toegepast, waarbij 5-50 mm kort-gesneden koolstofvezels worden heroriënteerd, waardoor de giettijd wordt verkort van 40 minuten naar 10 minuten, met een maatafwijking van minder dan of gelijk aan ±0,1 mm. Voor grote mallen voor raketrompen wordt automatische vezelplaatsingstechnologie (AFP) gebruikt om segmenten van 12 meter lang in één-stuk te leggen, waardoor de lasnaden met 80% en het gewicht met 30% worden verminderd. Tegelijkertijd wordt het productieproces geoptimaliseerd om een ​​naadloze integratie tussen prepregproductie en matrijsvorming te bereiken, waardoor de productiecyclus wordt verkort en de productie-efficiëntie wordt verbeterd. Sommige ondernemingen hebben al een jaarlijkse productiecapaciteit van meer dan 2.000 ton per lijn bereikt, wat het internationale toonaangevende niveau benadert.

(4) Ondersteuningseinde: gesloten-loopondersteuning voor inspectie, certificering en recycling

Er is een alomvattend inspectie- en certificeringssysteem opgezet, met gespecialiseerde inspectienormen die zijn geformuleerd voor de prestatie-indicatoren en compatibiliteitsnauwkeurigheid van aan mallen-aangepaste prepregs, die belangrijke indicatoren omvatten zoals vezelgehalte, harsgehalte, treksterkte, grensvlakafschuifsterkte en maatafwijkingen, waardoor de betrouwbaarheid van de compatibiliteit tussen prepregs en mallen wordt gegarandeerd en wordt voldaan aan de strenge eisen van lucht- en ruimtevaartapparatuur. Via infraroodtemperatuurfeedbacksystemen en nabij-infraroodspectroscopiedetectie worden het bereidingsproces en het compatibiliteitseffect van prepregs bijvoorbeeld in realtime bewaakt om een ​​stabiele productkwaliteit te garanderen. Tegelijkertijd wordt een recyclingsysteem voor prepregs opgezet. Voor thermoplastische prepregs zijn de mechanische breek- en regeneratieprocessen verbeterd, met een retentiepercentage van meer dan 85% voor de prestaties van gerecyclede materialen, waardoor de verspilling van hulpbronnen en de productiekosten worden verminderd en duurzame ecologische ontwikkeling wordt bevorderd.

III. Waarde- en toekomstige ontwikkelingstrends van het ecosysteem

De constructie van het aan de vorm-aangepaste koolstofvezel-prepreg-ecosysteem lost niet alleen de belangrijkste pijnpunten op bij de toepassing van prepregs in de Chinese lucht- en ruimtevaartindustrie, maar heeft ook een aanzienlijke strategische waarde voor de ontwikkeling van de lucht- en ruimtevaart- en nieuwe materialenindustrie. Vanuit het perspectief van de lucht- en ruimtevaartindustrie heeft de verbetering van het ecosysteem de precisie, betrouwbaarheid en het lichtgewichtniveau van structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart aanzienlijk verbeterd, de productiecycli en -kosten verlaagd, en essentiële materiële ondersteuning geboden voor de ontwikkeling van hoogwaardige lucht- en ruimtevaartapparatuur zoals diepe ruimteverkenning en hypersonische vluchten, waardoor de domesticatie van China's lucht- en ruimtevaartapparatuur verder wordt bevorderd. Vanuit het perspectief van de nieuwe materialenindustrie, gedreven door de eisen van de ruimtevaart, wordt de iteratieve upgrade van koolstofvezel-prepreg-technologie gepromoot, waardoor de gecoördineerde ontwikkeling van aanverwante industrieën zoals koolstofvezelgrondstoffen, harssystemen en matrijzenbouw wordt gestimuleerd, en de industriële keten van de Chinese nieuwe materialenindustrie wordt verbeterd, waardoor het kernconcurrentievermogen van de industrie wordt vergroot.

In de toekomst, met de voortdurende verbetering van lucht- en ruimtevaartapparatuur en de voortdurende ontwikkeling van de nieuwe materialenindustrie, zal het aan de vorm-aangepaste koolstofvezel-prepreg-ecosysteem zich ontwikkelen in de richting van grotere precisie, intelligentie en groenheid.

Ten eerste is de pasnauwkeurigheid voortdurend verbeterd. Door te vertrouwen op technologieën zoals AI en big data is een intelligente afstemming tussen de voorbereiding van voor-geïmpregneerde materialen en het vormen van mallen bereikt, waardoor maatafwijkingen verder worden verminderd en de precisie van structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart wordt verbeterd.

Ten tweede zal de verdieping van de technologische integratie de -diepgaande integratie van voor- koolstofvezelmaterialen met 3D-printmatrijzen en intelligente vormapparatuur bevorderen, waardoor een geïntegreerde vooruitgang wordt bereikt van "matrijsontwerp - pre-productie van geïmpregneerd materiaal - het vormen van structurele componenten".

Ten derde: breid toepassingsscenario's uit. Breid de matrijsaanpassingstechnologie uit van de lucht- en ruimtevaart naar hoogwaardige productiegebieden zoals auto's, windenergie en onbemande luchtvaartuigen, bevorder de grootschalige ontwikkeling van de koolstofvezelprepreg-industrie en verken tegelijkertijd het vraagpotentieel in opkomende gebieden zoals de opslag van waterstofenergie en 3C-elektronica om de ecologische grenzen te verbreden.

Ten vierde, doorbraken in kerntechnologieën, waarbij de nadruk ligt op de binnenlandse vervanging van T800-prepregs en prepregs van hogere kwaliteit, het vergroten van de capaciteit voor het opmaken van kernoctrooien, het doorbreken van internationale technologische barrières en het bevorderen van China om een ​​wereldleider te worden in de koolstofvezelprepreg-industrie.

De doorbraken op het gebied van nieuwe materialen in de lucht- en ruimtevaart zijn niet alleen een technologische sprong, maar ook een reconstructie van het industriële ecosysteem. Het koolstofvezel-prepreg-ecosysteem dat zich richt op de aanpassing van mallen, zal de gezamenlijke empowerment van materialen, mallen en apparatuur bewerkstelligen, waardoor de hoogwaardige ontwikkeling van de lucht- en ruimtevaartindustrie wordt bevorderd. Tegelijkertijd zal het een referentiegericht ecologisch model opleveren voor de modernisering van de Chinese nieuwe materialenindustrie en China helpen een gunstiger positie in te nemen op het mondiale hoogwaardige productieveld.