新型先进复合材料头盔壳体研制

刘于思

航宇救生装备有限公司 湖北 襄阳 441003

1 先进复合材料概述

复合材料由基体材料和增强材料两部分组成，可以发挥各组成材料的优点，避其弱点，还可形成单一材料本身所没有的性能。先进复合材料专指可用于加工主承力结构和次承力结构，其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。

1.1 增强体与基体

先进复合材料的基体相与增强体相在宏观水平下相互结合且互不相溶。先进复合材料的基体种类包括高分子合成树脂、金属、陶瓷和碳，当今从技术成熟程度和应用范围看，以树脂基复合材料最为突出[1]。

1.2 树脂基复合材料的特点

树脂基复合材料具有很多优点，主要表现在：

1.2.1 高的比强度和比模量。

1.2.2 良好的抗疲劳特性。纤维复合材料中存在着无数的纤维/树脂界面，能阻止裂纹的进一步扩展，推迟疲劳破坏的发生。这类材料即使产生疲劳破坏事先也有明显的预兆。纤维复合材料的拉/压疲劳极限值能达到静载荷的70%-80%，而大多数金属材料的疲劳极限只有其静强度的40%-50%。

1.2.3 易于大面积成型。对于批量生产而言，当工艺规范确定后，复合材料构件的制作较为简单。并且可以根据构件的要求选择各种不同的成型方法。

1.3 先进复合材料的应用

基于上述特点和优点，自1967年问世以来，先进复合材料一直受到对重量、性能要求苛刻的航空航天界的关注与重视。比如，美国空军未来30年的主力战斗机F-22结构重量的25%采用碳纤维复合材料，几乎覆盖了飞机全部外表面。

2 复合材料成型工艺对比分析

就本文所涉及的两种成型工艺方法：手糊模压成型法和预浸料热压罐成型法，简要对比二者优缺点。

2.1 手糊模压成型法

是在金属或胶木对模上涂刷脱模剂，然后手工铺覆增强材料，并逐层涂刷基体树脂，铺层至规定厚度后合模并加压，待树脂固化后去掉模具得到产品的一种工艺方法。

2.2 预浸料热压罐成型法

是使用复合材料预浸料在模具上做出毛坯，然后用真空袋密封在模具上，置于热压罐中，一般在真空状态下，经历升温、加压、保温、降温和卸压过程，得到所需要形状和质量状态的制件[2]。

3 新型复合材料头盔的研制

3.1 原有工艺的问题

根据以往的经验，原有工艺主要有厚度不均匀、物理性能差、超重等问题。

3.2 新工艺的研究

为了解决上述问题，为了做出质量优良、性能过关、厚度均匀的头盔产品，考虑到近几年来发展较快的预浸料热压罐成型工艺可以很好地控制产品重量及厚度均匀性，故进行热压罐制作新型复合材料头盔的尝试。

3.2.1 模具方案。模具材料选用刚性大、高温高压不易变形、使用寿命长的不锈钢。

预浸料热压罐成型工艺的阴模在曲面上由于有闭斜角，限制了使用范围，但是可以得到外形面很好的制件。阴模可以满足外表面的较高要求，还可以将模具设计为左右两半，脱模时相对容易。

3.2.2 具体操作。预浸料铺贴以某型头盔为例，总体厚度要求0.8mm，经计算，总体铺贴4层预浸料即可。

4 试验数据

4.1 厚度

用预浸料热压罐成型和手糊模压两种工艺分别制作两块同样大小的试验板（400mm×400mm）。其中热压罐成型预浸料采用两种交替铺贴8层,手糊模压采用芳纶纤维，要求厚度为2.0mm，对比可以发现，预浸料热压罐成型工艺做出的试验板厚度均匀性比手糊工艺好很多。

4.2 重量

随机选取了不同工艺制成的几个头盔样件，在同一台电子秤上进行重量测量，预浸料热压罐工艺制成的头盔平均重在140g左右，完全满足不大于150g的设计要求。而手糊成型工艺的头盔重量为200g左右，明显超重。

4.3 力学性能

两种工艺制成相同试片，弯曲强度与剪切强度的对比见下表。

表1 两种工艺的剪切强度对比

以上数据说明，新型先进复合材料头盔工艺方法正确、工艺路线可行，产品的物理性能稳定，满足设计要求，可以进行工艺鉴定并转入批量生产。

5 结束语

此新型先进复合材料头盔是在多年的设计、生产、试验的基础上进行的又一次革新，克服了各种困难，从设计到工艺定型过程中，经历了多次更改、创新，试验件经过试制、改进，外观、重量、各项力学性均能满足技术指标的要求，验证现有的工艺技术方案无论在性能上还是在结构上是比较先进的，技术措施是可行的。并且从研制开始就贯彻通用化的宗旨，所以完全有可能向不同型号系列发展的目标。