Acsion Industries是一家来自加拿大原子能组织的公司，正在为下一代高速客机，新型战斗机和航天飞机的替换工具开发复合材料处理技术。亚博网站下载该区域正在迅速发展，因为该想法在1985年左右起步。该技术利用高速，高能电子束并涉及复合材料的电子束固化，这是一种相对较新的处理组件的技术，可在航空航天和航空航天和国防行业及其他地区。 研究合作者电子束固化被吹捧为替代复合材料的高压釜固化。Acsion Industries，Oak Ridge国家实验室材料加工中心，Sandia National Laborat亚博网站下载ory，Lockheed Martin，Northrup Grumman和Boeing Commercial飞机集团之一是推动他们声称可以显着降低成本，加快加速处理并提供更好材料的技术的关键参与者之一特性。美国能源部通过合作研究与发展协议（CRADA）项目来支持这项工作。 迄今为止的成就自1990年代中期以来，这项研究一直在果实。现在可以在商业上获得一系列电子束可固化的环氧树脂，并且在大量应用中已成功尝试了材料和技术。亚博网站下载Acsion最近在漫长的原位试验之后与加拿大航空签署了一项协议，以使用电子束处理的A320空客平面中的某些复合组件生产和修复。洛克希德（Lockheed）正在调查使用电子束处理来治疗其高速民用飞机的整个机翼和机身截面，并为风险恒星（航天飞机替换车辆），图1. NASA也有兴趣将技术带入太空，它可用于治疗卫星和其他轨道结构（例如国际空间站）的复合材料。
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图1。X-33或Venture Star，提议替换航天飞机，该航天飞机可以使用电子束固化的复合燃油箱。 |
电子束固化机构所有这些可能的应用背后是一些相对简单的化学和物理。使用阳离子启动器对聚合物的辐射固化是一个常见的过程 - 一段时间以来，紫外线已用于治愈各种表面涂层的材料。亚博网站下载基本上，辐射从引发剂分子产生阳性离子，然后引发了聚合过程。在某些材料中也可以进行自由基路线。亚博网站下载 电子梁通过传入的高速电子敲除聚合物引发剂混合物中的其他电子的工作，这就是为什么随着梁能量的增加，固化更快和更好的原因。电子束的高能以及可以从这些梁产生的X射线，这意味着辐射渗透到复合材料中，从而使材料均匀地固化几厘米厚。亚博网站下载较低的能量紫外线无法穿透材料，使其无法固化薄涂层以外的任何其他物质。 加速器Acsion的飞行员加速器具有1kW的功率，并产生了高能量的10MEV电子。这样的电子可用于使用两侧固化来处理高达5厘米厚的石墨复合材料。现在可以使用工业加速器，额定为50kW并产生相同的能量电子，可以在连续过程中以每小时1000千克的速度处理复合材料。通过将电子转换为X射线以进行更深的渗透，可以以每小时250千克的速度以每小时250 kg的速度处理厚的16厘米的厚复合材料。还可以使用较大的加速器，最高200kW，提供更快的处理。由于电子束固化需要几分钟而不是用于热固化的数小时，因此该过程提供了更快的吞吐量。 电子束固化材料亚博网站下载电子束固化等新技术取决于其成功的材料。亚博网站下载电子束固化活性当前增加的关键是可以加载阳离子引发剂并生产具有所需特性的复合材料的一系列环氧树脂的发展。早期的研究着眼于使用乙烯基酯，丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯树脂，但是它们的收缩率很高，热性能差和机械性能差。但是，新的环氧树脂具有符合或超过热固化树脂的优质特性。 树脂现在可以使用数百种不同的树脂系统，包括钢化配方，其中一些是根据客户规格量身定制的。这些材料亚博网站下载通常在固化（2-3％），玻璃过渡温度高达400°C，吸水率非常低（小于2％）和环境温度下延长的储存寿命。它们都在几分钟内治愈，以生产具有高性能机械性能的复合材料。 纤维新树脂可以用所有现有的纤维加固。碳和石墨纤维高度稳定，并且作为良好的电导体，确保较厚的零件没有电荷积聚。玻璃和芳香纤维也对辐射具有非常抗药性，而其他聚乙烯等其他纤维可以在复合材料中使用，因为固化过程中几乎没有加热。 电子束固化的优势加工电子束处理可提供与热固化相比的其他好处。最明显的成本之一。八项独立研究表明，潜在的制造成本节省了25-65％。仅针对原型，这可能会增加多达90-95％。这是因为电子束处理以及大大加速固化时间，可以在环境温度下固化材料，从而使工具可以用非常低成本的材料（例如泡沫或木材）制成。亚博网站下载为复杂形成的组件（例如发动机入口和低温罐）标记了节省。树脂的稳定性也降低了成本，因为它们的保质期几乎不确定。 电子束工艺的另一个优点是它在相同的固化周期中结合几个不同的树脂系统的能力。热固化可能是不可能的，因为不同的系统可能需要不同的温度或治疗时间。对于电子束固化而言，这不是问题，因为将电子束在固定的零件上进行栅格，并且可以预编程给组件的每个区域的“剂量”。因此，在同一条线上很容易处理不同的树脂，这使得可以使用量身定制的交联曲线开发新产品，从而在组件的特定区域中提供必要的属性。 亚博网站下载材料特性与热固化的材料相比，电子束固化的复合材料通常具有改善的机械性能，并且在热或低温循环后将其保留（有时改善）。亚博网站下载实际上，电子束固化的关键优势之一是它可以减少复合部分微观结构中的残留内部应力。由于与树脂相比，纤维的线性膨胀较低，因此在冷却过程中诱导了应力，并且可以在层内发展。这种应力可以限制复合零件设计。但是，电子束固化会减少这种应力，因为加工温度可能是环境的甚至更低的。这对于生产低温罐非常有益，该储罐必须在-200至-255°C的温度下保持流体。常规的热固化在150至200°C下进行，这种较大的差异会导致较大的应力，使用电子束技术消除。 环境与健康
电子束技术还提供环境和健康益处。使用该技术生产的挥发物量大大减少，树脂通常产生0.1％或更少的挥发物。电子束固化的挥发性化学物质的堆栈排放量可能低至热固化树脂的排放量的1％。此外，可以消除用于热固化树脂的化学交联剂（可能是有毒和致癌的）。 研究计划加拿大航空这些迹象表明，电子束固化开始作为商业过程出现。1999年3月15日，Acsion和Air Canada签署了一项技术转移协议，以共同开发电子束固化过程，以修复和制造某些组件。这是经过对A320乘客飞机的机身整流的成功试验。据估计，飞机每8小时的停机时间为半百万美元。
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图2。修复的面板（左）并重新安装进行服务（右） |
复合组件占A320飞机结构重量的20-25％，因此，对于任何受到雷击，鸟罢工，异物等损坏的组件，使用快速维修技术至关重要to try electron beam curing at Air Canada’s Maintenance Base in Winnipeg, beginning with the A320 fairing. The component was chosen because its function and location expose it to damage from baggage handling equipment and objects being thrown up by the aircraft's wheels - any repair would have to withstand a lot of abuse. 通过电子束固化新鲜材料修复了加拿大航空公司之一的一个受损面板，然后对面板进行了1800小时的飞行和900个起飞和着陆。测试零件在测试团中幸存下来，比使用标准维修工艺具有更高的膝盖强度，更好的热润湿性能和更高的交联密度，因此可以更好地承受严格的飞行。现在，加拿大航空公司将通常使用电子束固化进行机翼到体的整流罩，这是任何飞机，军事或平民的第一架。 同时，另外两个面板已经维修和监测，结果相似。最终，电子束固化可用于修复飞机上的所有复合组件，从而最大程度地减少停机时间，从而节省资金。可以通过远程控制的固化系统在跑道上进行维修，并迅速放置新材料以修复损坏，并且可以在几分钟之内固化面板，准备再次起飞。亚博网站下载 美国空军军用飞机和其他民用飞机也从电子束固化中受益。T-38喷气式飞机飞机的复合挡风玻璃框架已由Oak Ridge制造技术中心和美国空军解决。X射线固化钢筋的切片，并以比以前使用的更简单，更便宜的制造工艺进行电子固化。洛克希德·马丁（Lockheed Martin）也正在评估联合罢工战斗机的技术。 先进的短起飞垂直着陆（ASTOVL）工艺品Acsion are working with Lockheed Martin on a DARPA project called `Integrated airframe technologies for affordability’, looking at producing the ASTOVL - advanced short take-off vertical landing craft, figure 3. The plane would be 95% composites and be constructed from far fewer parts than normal - perhaps as few as 500 compared to 2500. Electron beam curing could play a major role in its construction. The proposed plane would have a one-piece 40 foot bulkhead, a one-piece top fuselage and a one-piece bottom fuselage. Such enormous parts could not be cured in an autoclave but would not present a problem for electron beam processing.
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图3。拟议的F-22 ASTOVL飞机可能由95％的复合材料制成。 |
NASAAcsion还谈论使用NASA的Lewis Lab生产大型组件。在这种情况下，高速民用运输飞机的整个机翼结构。每个机翼对传统技术的潜在节省是巨大的。据估计，设置将节省600万美元，再加上200万美元的能源节省和55万美元的工具节省。从理论上讲，使用电子束处理可以节省每个机翼超过800万美元。 节省这些成本也吸引了空间应用。Acsion和Lockheed Martin Skunk Works正在为X-33或Venture Star的液体氢和氧气罐的生产（替代航天飞机的替代品）生产。这些坦克需要为30m x 16m，并且没有足够大的高压釜来处理这些零件。电子束固化会减少复合罐中的内部应力，从而提供较低的微裂纹，并提供比要求的更好的氢渗透性。使用电子束固化的总成本约为6500万美元，而传统技术的总成本为1亿美元或更多。 卡萨Acsion还通过电子束固化为西班牙航天局Casa生产了卫星反射盘。该盘子需要在100°C的工作温度下尺寸稳定性，这很容易在不到6小时的电子束固化过程中实现。 概括对于复合材料的电子束处理，未来是光明的。除了上述项目外，还有更多的潜力和计划的研究计划，研究树脂开发，粘合剂开发（替换螺栓和铆钉）和界面化学，以改善电子束可固化复合材料的层间剪切性能。还有其他一些计划，正在研究军事和民用飞机的复合材料维修应用程序。 Acsion本身正在寻求随着该技术的申请数量的增长而扩展，并可能在英国建造制造和维修设施。目前，他认为英国在电子束处理中至少落后北美五年，但是如果当前的进展继续，那么电子束处理知识可能会在全球范围内传播，并成为关键的复合材料技术之一。亚博网站下载 |