助推航空结构量产：海新面向RTM的新型双组分环氧树脂

这是我CAMX 2019（9月23-26日，美国加利福尼亚阿纳海姆）必看技术系列博客的第三篇。海新（美国俄亥俄州哥伦布）基于其Epikote System 600环氧树脂，开发了一款面向航空结构RTM的双组分（2K）体系。下文将阐述该开发的重要性，详述新2K体系及海新如何满足航空主机厂对混合树脂现场质量保证的需求。文末还将讨论海新用于耐火（FR）应用的2K灌注/RTM环氧树脂。

为何RTM需要2K树脂？

今年早些时候，我撰文介绍了工装专家Alpex Technologies（奥地利米尔斯）和空客子公司复合技术中心（CTC，德国施塔德）利用树脂传递模塑（RTM）生产复合飞机部件的项目。航空航天RTM应用并非新事物。已有多种飞机部件采用RTM制造，包括：

• 湾流G250公务机方向舵（以色列航空航天工业与北海岸复合材料）
• LEAP涡扇发动机叶片和风扇机匣（Albany Engineered Composites）
• A350门框（空客直升机多瑙沃特）
• 演示版A350客舱门（Elbit Cyclone）
• 演示版A320多翼梁襟翼（空客不来梅）
• Matrix Composites利用RTM为F-22生产6000余部件。

然而，航空航天RTM传统上属低压工艺，循环时间以小时计。Alpex和CTC项目专注于利用高压RTM（HP-RTM）提供的15-20分钟循环时间、自动化和快速注射。在我的文章“HP-RTM助力CFRP航空结构量产低成本制造”中，讨论了使用双组分（2K）环氧树脂与当前常规预混单组分（1K）体系的对比：

“CTC项目负责人Jan Schiller观察到，以往所有RTM飞机结构仅使用供应商预混的1K体系，供应商认证混合物并承担责任确保树脂满足资质要求。‘现在我们考虑2K体系，但挑战在于确保混合质量，’他解释。预混1K体系需冷链运输储存以防反应直至部件加工。因此2K体系优势包括消除此项费用及更高反应活性实现更快加工。”

“但问题在于质量保证（QA）将从树脂供应商转移给部件制造商。‘这要求检测混合比和混合树脂质量。两者皆为空客新材料资质所需。意味着混合前测量两组分及混合后树脂。目前仅有混合头前传感器显示计量树脂和固化剂量。这不足以满足资质要求。’”

海新（美国哥伦布）作为汽车复合材料HP-RTM快速固化环氧树脂开发领导者（见“HP-RTM崛起”），于2019年3月宣布基于其Epikote System 600环氧树脂开发了面向航空结构RTM的2K体系。我采访了海新环氧全球航空航天细分市场负责人Jean Rivière，了解其航空航天2K体系及如何满足混合树脂现场QA需求。

克服1K体系局限

“正如预浸料，航空航天RTM和灌注用1K体系必须冷藏且保质期有限，”Rivière说。“采用双组分（2K）环氧体系可消除这些约束。我们已见2K和高反应活性环氧树脂用于风电叶片和汽车结构制造。为何不用于航空航天？”

Rivière解释，在与许多客户沟通后，海新理解核心顾虑——需在注射模具前任何时刻验证混合比正确。否则部件制造商面临不可接受风险。他补充称，此前无风电叶片和汽车那种产量需求。如今空客和波音欲超越现有生产节拍并增加单机复合部件数量。“因此现在有需求从预浸料铺层转向航空航天RTM或灌注用2K环氧树脂，”Rivière说。

下图供应链对比显示，2K技术不仅省去冷储和回温步骤，还解除树脂容器运输尺寸限制。“预混树脂质量必须控制在20升以内并维持极低温度，”Rivière说，“否则树脂可能启动反应。2K体系可常温运输标准200升桶。风险更低、无需强力冷却、预防措施更少。”

上述供应链图展示了分析控制如何变化。1K树脂体系仅在制造环节进行初始控制，2K体系则在多个控制点实施控制。除工厂生产时对A、B组分控制外，A:B混合比还在混合计量分配（MMD）设备中数字化控制，并在注射模具前再次控制。来源：海新。

分析控制

开发此2K技术，海新与Hübner（德国博霍尔特）——混合计量分配（MMD）设备制造商，以及Composyst（德国胡拉赫）——拥有空客专利真空辅助工艺（VAP）灌注独家许可——合作。Hübner在电子电气元件制造用高性能MMD系统享誉盛名（如变压器用浇注树脂和浸渍元件）；Composyst精通空客应用的树脂注射灌注，深谙飞机主机厂对混合树脂加工与质量保证（QA）的要求。

“分析控制在Hübner设备精确混合环氧A、B两组分、准备导入模具时发挥作用，”Rivière解释。下图中Hübner MMD系统与真空袋VAP灌注装置间的黑色管路是分析控制系统关键组件。“此处安装分析装置实时控制混合比，”Rivière说。“我们演示了每12秒测量一次混合比，更高频也可行。技术实现混合比连续控制、记录和报告。”

注：Hübner MMD设备与VAP灌注装置间黑色管路，海新实现注射前树脂混合比在线测量。来源：海新

“该系统提供双重控制：MMD单元常规控制叠加我们注射前分析控制。首先，Rivière指出Hübner MMD设备以精准著称。其双泵系统针对两组分，必须在体积、温度和混合比上保持精度以满足其供应应用。我们的系统在混合后、注射前增加第二次测量，可设定报警目标。”若实测混合比未达目标触发报警，系统将混合树脂排入单独容器，旁路模具，不导入灌注部件。“随后可恢复工艺继续注射，”Rivière注记。

他称海新混合后注射前分析控制系统提供独立追溯记录，亦可按客户需求集成进MMD单元。Rivière提到Hübner MMD单元还彻底脱气树脂，这是电子行业要求（应用元件不允许气孔或孔隙）。“该系统还通过管理高低液位树脂流动提供模具压力便携控制，”他指出。“能实现极佳浸渍，且缩短灌注工艺时间，同时满足航空航天孔隙率和纤维含量质量要求。”

照片展示使用Hübner MMD设备和海新2K分析控制的灌注装置，及由此制备的2厘米厚碳纤维UD层压板，纤维体积含量超60%。来源：海新

更宽工艺窗口

“因混合在静态混合器中、注射前极短时间内完成，混合树脂提供更长操作期（较1K延长高达40%），”Rivière注记。这提供更好工艺窗口，我们已生产60%纤维含量厚碳纤维层压板。2K与1K体系力学性能相同，因化学本质相同。我们认为这将是更可靠工艺，完整价值在于将混合控制与树脂注射装置联网。”

海新将在CAMX展台剧场详细介绍其2K Epikote 600 RTM体系及满足飞机防火、烟雾、毒性（FST）要求的EPON FlameX环氧树脂（见下文）：

• 面向环氧航空制造的新型2K技术
  周二，9月24日 — 11:00-11:25
• 面向防火安全应用的FlameX环氧体系
  周二，9月24日 — 11:30-11:55

更多详情请访问海新Y24展位。

EPON FlameX用于耐火复合材料灌注/RTM

海新还开发了面向必须满足耐火（FR）和防火烟毒（FST）要求部件的灌注/RTM双组分环氧树脂。开发驱动因素包括：

• 提高生产节拍
• REACH法规要求无卤、非酚醛体系
• 更强韧树脂对抗脆性酚醛
• 成本与酚醛竞争但远低于热塑性塑料。

海新EPON FlameX体系不使用卤素或颗粒添加剂实现耐火，而是将该性能构建于树脂分子骨架中。灌注无颗粒过滤，树脂在60-70°C（140-158°F）下粘度250 cps，灌注性能好，150°C（302°F）下1.5小时固化。建议自由站立或工装支撑下180°C后固化以获最大结构性能。

采用该体系制件无需额外涂层或耐火措施即通过：

• 60秒垂直燃烧 FAR25.853(a)
• 烟毒性 BSS7239
• 烟密度 BSS7238

特定构型下配合认证膨胀型胶衣或涂层，亦可通过OSU 65/65热释放测试。此要求仅针对飞机滑跑、起飞、降落时可触及部件。

“我们演示了现用常规酚醛预浸料工艺需10-12小时制造的行李舱，采用FlameX体系灌注或RTM仅需90-120分钟，”海新环氧应用与产品开发专家Nathan Bruno说。“且因无填料，密度低于填充型FR环氧树脂。”

应用包括飞机内饰、货舱、厕所、厨房、座椅部件，以及船舶、轨道和建筑内饰。