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聚合物加工工程课程航空特色的教学内容建设

谢婵 王云英 孟江燕 周建萍

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聚合物加工工程课程航空特色的教学内容建设

    通讯作者: 王云英; 
  • 中图分类号: G642.0

Construction of Aeronautical Characteristic Teaching Content in “Polymer Processing Engineering” Course

    Corresponding author: yun-ying WANG
  • CLC number: G642.0

  • 摘要: 在江西省实施“航空强省战略”的大好形势下,南昌航空大学作为省内唯一的航空大学,本科教学的航空特色建设则显得十分必要。高分子材料(尤其是先进树脂基复合材料)在航空航天的应用日益广泛,“聚合物加工工程”作为高分子材料及工程本科专业之主干课程之一,补充一些航空特色教学内容就很有必要。针对该课程的教材缺乏航空特色的情况,该课程团队的教师依托自身航空教育背景和航空企业工作经历,就《中国航空材料手册》的内容开展航空特色教学内容建设。在教学内容方面,补充了碳纤维增强双马来酰亚胺层合板的热压罐成型、飞机座舱玻璃的双轴拉伸取向成型、航空透明件、蜂窝夹层结构件的结构胶结技术、特殊密封材料的特点及成型加工技术等;在实践性教学方面,开设了具有航空材料成型加工综合性实验,以及组织学生到航空企业进行实践性教学。
  • 图 1  江西省航空产业规划发展目标[15]

    图 2  舱盖或风挡玻璃及构件成型流程示意框图

    表 1  聚合物加工工程的课程中补充的航空特色内容与课程内容的对应关系

    章节序号[23]教材内容[23]航空特色内容[17-19]
    3.4 交联剂及其添加剂 1)氟橡胶F275的组成和配比
    4.2 高分子材料的配方设计 2)氟硅橡胶FS6265的组成和配比
    3)NBR5080的组成和配比
    7.1 热固性树脂的模压成型 酚醛压塑粉制品的模压成型工艺
    7.2 橡胶制品的模型硫化 1)橡胶密封件(O型密封件,异型材)的模型硫化
    2)驾驶员操纵手柄包胶件的模型硫化
    3)飞机口框铝合金件与橡胶的粘接硫化
    7.3 复合材料的层压成型 1)纤维增强复合材料层合板的层压成型
    2)夹层结构雷达天线罩的层压成型
    7 注塑成型 ABS、PC、尼龙1010制品的注塑成型
    短切纤维增强尼龙的注塑成型
    11.4 热成型 座舱盖、整体圆弧风挡的热成型
    11.5 合成纤维的拉伸 有机玻璃板材的单轴拉伸定向或双轴定向
    12.1.1 静态浇铸成型 有机玻璃板材的浇铸成型
    12.3 冷压烧结 PTFE的机械加工
    整体油箱密封胶的材料及其注胶施工
    专业的综合性实验(非理论课程内容) 1)F275橡胶、氟塑料薄膜的表面改性及其改性效果研究(6学时)
    2)45°分模的F275橡胶O型圈、包覆O型圈的成型工艺(6学时)
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    表 2  国外先进战斗机座舱透明件情况一览表[21]

    国家及地区机型外形结构选用材料成形工艺隐身膜系提供厂商
    美国F-15圆弧风挡微交联阳模成形Au或ITOSwedlow/Sierracin
    水泡舱盖定向玻璃吹塑成形
    美国F-16整体水泡式有机层合玻璃阴模真空Au或ITOSierracin
    补偿成型
    美国F/A-22整体座舱聚碳酸酯(PC)模压成型ITO
    俄罗斯苏-27圆弧风挡ɜ-2阳模成形
    水泡舱盖AO-120吹塑成形
    俄罗斯苏-30圆弧风挡AO-120阳模成形
    水泡舱盖吹塑成形
    法国幻影2000圆弧风挡微交联阳模成形Au或ITOSully
    水泡舱盖定向玻璃吹塑成形
    法国幻影4000圆弧风挡微交联阳模成形Au或ITOSully
    水泡舱盖定向玻璃吹塑成形
    欧洲EF-2000圆弧风挡微交联阳模成形Au或ITOSully
    水泡舱盖定向玻璃吹塑成形
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-16
  • 录用日期:  2019-08-17
  • 刊出日期:  2019-09-01

聚合物加工工程课程航空特色的教学内容建设

    通讯作者: 王云英; 
  • 南昌航空大学 材料科学与工程学院 南昌 330063

摘要: 在江西省实施“航空强省战略”的大好形势下,南昌航空大学作为省内唯一的航空大学,本科教学的航空特色建设则显得十分必要。高分子材料(尤其是先进树脂基复合材料)在航空航天的应用日益广泛,“聚合物加工工程”作为高分子材料及工程本科专业之主干课程之一,补充一些航空特色教学内容就很有必要。针对该课程的教材缺乏航空特色的情况,该课程团队的教师依托自身航空教育背景和航空企业工作经历,就《中国航空材料手册》的内容开展航空特色教学内容建设。在教学内容方面,补充了碳纤维增强双马来酰亚胺层合板的热压罐成型、飞机座舱玻璃的双轴拉伸取向成型、航空透明件、蜂窝夹层结构件的结构胶结技术、特殊密封材料的特点及成型加工技术等;在实践性教学方面,开设了具有航空材料成型加工综合性实验,以及组织学生到航空企业进行实践性教学。

English Abstract

    • “聚合物加工工程”是高分子材料与工程专业的主干专业课程,课程涵盖了塑料、橡胶、复合材料的成型加工方法和设备,是一门实践性很强的课程。该课程由“塑料成型工艺学”、“橡胶工艺学”、“复合材料成型工艺与设备”等三部分内容组成。国内不少高校对该课程的教学方法、课程建设、考核方式、教学模式等展开了探讨和实践。如:青岛科技大学的夏琳对“塑料成型工艺学”课程的教材选择、精讲内容、提高教师业务能力与综合素质、将传统教学模式与多媒体教学有机结合等方面进行了探讨[1];湖南科技大学的廖博提出了用多媒体动画吸引学生的课堂注意力、尝试将理论性不太强的内容请学生讲解等方法把学生的被动学习变为主动学习[2];湖北大学的蔡芳昌针对“高分子成型加工课程”,围绕着教学手段、课程的实验教学改革、实行校企合作等进行了探讨[3];王小萍等提出了“多维度教学、与高分子学科其他课程的融合教学、多学科的交融教学、多层次的实践教学”的“高分子材料成型加工”创新教学探索[4]。卞军[5]、王成双等[6]、陈非等[7]分别针对自身学生的特点,对相关高分子的成型加工、设备等相关课程探讨并分享了各自的教学经验和成果。对于橡胶工艺学课程[8-10],聚合物基复合材料加工工艺与设备课程[11-12]也有一些教学改革探索。

      上述有关“聚合物加工工程”教学改革研究的是非国防或航空类高校的,而北京航空航天大学这样的研究型航空高校的本科专业教学目标与我校明显不同,因而借鉴意义不大[13-14]。为此,我们“聚合物加工工程”教学团队开展了该课程的航空特色教学内容建设,紧密围绕教学大纲,在保证课程主干内容的情况下,建设了一部分航空特色内容。

    • 江西省以2008年为基准年,制定了航空产业发展规划,把航空产业作为十大战略性产业之一用于振兴江西。2015年,江西省再次制定了构建航空制造、民航运输、通用航空、临空经济“四位一体”协同发展的航空产业体系,实现由航空大省向航空强省跨越式发展的目标,并要求南昌航空大学在人才培养上起到应有的作用[15]。江西省航空产业规划提出3~5年的目标是形成产业集群,即形成航空材料、航空装备、大部件、整机设计制造[16]图1)。

      图  1  江西省航空产业规划发展目标[15]

    • 南昌航空大学1952年从武汉搬迁至南昌,学校从中专、专科到大学,近70年来一直坚持航空特色办学,在国内的航空制造热加工领域具有良好的口碑和较高的知名度。作为热加工领域之一的高分子材料与工程专业是江西省第一个创办的专业,具有明显的航空特色,尤其是金属胶接结构、聚合物基复合材料技术,是飞机先进性的指标之一。在已经毕业的本科生中,有不少在航空航天、民航和江西省工作,他们当中很多已经成长为企业领导或者行业专家。我省实施新的航空产业规划后,在原有的教练机、直升机原有机型基础上,增加了教练机新机型,拟研制不同吨级的直升机,发展公务航空飞机、农林飞机等通用飞机,无人直升机研制开发;这些新型飞机的零部件绝大多数是玻璃纤维复合材料或碳纤维复合材料制成的。显然,对高分子材料与工程专业人才的需求数量和质量都会逐年增多,大量培养具有航空高分子专业背景的学生是当务之急。

    • 大多数报考我校的学生,他们热爱航空、愿意为航空事业而奋斗[16],但是在高分子材料与工程专业的主干专业课程之一—聚合物加工工程的可选教材中,基本上都没有涉及航空的内容。因此,在课程建设过程中,补充相关航空特色内容就很有必要。这样,既满足了学生的航空情愫又符合人才培养方向,可谓是一举两得。

    • 1)围绕2015级培养计划方案“高分子材料成型加工”的培养大纲,在相关章节中专门补充讲述航空特色内容。

      2)依据《中国航空材料手册》相关的非金属分册[17-19]、先进航空材料与技术丛书[20-22],补充航空特色内容。补充的航空特色内容与课程内容的对应关系,见表1

      表 1  聚合物加工工程的课程中补充的航空特色内容与课程内容的对应关系

      章节序号[23]教材内容[23]航空特色内容[17-19]
      3.4 交联剂及其添加剂 1)氟橡胶F275的组成和配比
      4.2 高分子材料的配方设计 2)氟硅橡胶FS6265的组成和配比
      3)NBR5080的组成和配比
      7.1 热固性树脂的模压成型 酚醛压塑粉制品的模压成型工艺
      7.2 橡胶制品的模型硫化 1)橡胶密封件(O型密封件,异型材)的模型硫化
      2)驾驶员操纵手柄包胶件的模型硫化
      3)飞机口框铝合金件与橡胶的粘接硫化
      7.3 复合材料的层压成型 1)纤维增强复合材料层合板的层压成型
      2)夹层结构雷达天线罩的层压成型
      7 注塑成型 ABS、PC、尼龙1010制品的注塑成型
      短切纤维增强尼龙的注塑成型
      11.4 热成型 座舱盖、整体圆弧风挡的热成型
      11.5 合成纤维的拉伸 有机玻璃板材的单轴拉伸定向或双轴定向
      12.1.1 静态浇铸成型 有机玻璃板材的浇铸成型
      12.3 冷压烧结 PTFE的机械加工
      整体油箱密封胶的材料及其注胶施工
      专业的综合性实验(非理论课程内容) 1)F275橡胶、氟塑料薄膜的表面改性及其改性效果研究(6学时)
      2)45°分模的F275橡胶O型圈、包覆O型圈的成型工艺(6学时)
    • 1) 热塑性塑料的注塑成型。主要讲述ABS、短切玻璃纤维增强尼龙1010、PC材料特性(物理力学电学)、工艺性能、工艺参数(注塑温度、模具温度、注塑压力、塑化压力、注塑时间、充模时间等),产品产生缺陷的原因及其纠正措施,以及模具结构特点。

      2) 热固性塑料的模压成型。热固性酚醛树脂具有良好的介电性能广泛用于电器元器件,是航空仪表常用的材料之一,它是采用传统的模压成型(或压缩模型)工艺完成。

      3) 蜂窝夹层结构件的低压成型。雷达天线罩是由玻璃纤维层压板蒙皮和Nomex尼龙纸蜂窝作为夹层结构的构件,其中内外蒙皮是玻璃纤维增强酚醛树脂手糊成型的层压板组成,蒙皮与蜂窝之间用胶膜粘接,在真空烘箱(或热压罐中)低压并抽真空固化而成。

      4) 有机玻璃(PMMA)透明件的制造。航空有机玻璃透明件主要包括风挡玻璃、座舱盖,在飞机上具有非常重要的作用。表2是国外战斗机透明件的一些情况[21],第二、三、四代机透明件的一些具体情况见参考文献[22-24]。

      表 2  国外先进战斗机座舱透明件情况一览表[21]

      国家及地区机型外形结构选用材料成形工艺隐身膜系提供厂商
      美国F-15圆弧风挡微交联阳模成形Au或ITOSwedlow/Sierracin
      水泡舱盖定向玻璃吹塑成形
      美国F-16整体水泡式有机层合玻璃阴模真空Au或ITOSierracin
      补偿成型
      美国F/A-22整体座舱聚碳酸酯(PC)模压成型ITO
      俄罗斯苏-27圆弧风挡ɜ-2阳模成形
      水泡舱盖AO-120吹塑成形
      俄罗斯苏-30圆弧风挡AO-120阳模成形
      水泡舱盖吹塑成形
      法国幻影2000圆弧风挡微交联阳模成形Au或ITOSully
      水泡舱盖定向玻璃吹塑成形
      法国幻影4000圆弧风挡微交联阳模成形Au或ITOSully
      水泡舱盖定向玻璃吹塑成形
      欧洲EF-2000圆弧风挡微交联阳模成形Au或ITOSully
      水泡舱盖定向玻璃吹塑成形

      现有批生产国产机型透明件(PMMA)材料的制造和舱盖成型流程见图2

      图  2  舱盖或风挡玻璃及构件成型流程示意框图

    • 1) 橡胶密封件的模型硫化。航空常用的橡胶牌号很多:如NBR5080,试5171,氟橡胶及氟醚橡胶,氟硅橡胶,乙丙橡胶,生产厂家有北京航空材料研究院为主,其他化工企业,如西橡,兰石化,沈阳石化等,一般零件为O型密封件、弹性元件、阻尼材料、卡㲄轮胎、密封垫片居多。最典型的是驾驶员操纵手柄包胶件或铝合金口框与橡胶的粘接密封结构。

      2) 液体密封材料的施工。飞机整体邮箱结构的铆接装配,通常需要缝内密封、缝外密封、紧固件密封,密封材料有XM-22、XM-23等聚硫密封胶,以及新型的氟醚密封胶等。密封胶的混炼采用开炼机、在装配车间进行,施工工具是注胶枪,该项操作需要操作人员持证上岗。

      3) 橡胶胶黏剂(胶液)及其胶布。高分子材料与工程开设了选修课《胶黏剂》,该课程主要是针对民用胶液的。

    • 1) 先进树脂基复合材料的原材料[16]

      (1) 原料组成:由碳纤维、热固性树脂(热塑性树脂树脂)制备的预浸料。

      (2) 原料的冷冻储存。

      2) 施工环境必须满足相关航空标准的净化要求。

      3) 热压罐成型(罐内成型,Autoclave)。这是目前最成熟、最常用的一种工艺方法,但鉴于预浸料制备、储存、运输,人员培训,热压罐使用过程中辅助材料均成本较高,业内技术人员开发了低成本制造的材料和工艺,如罐外成型。

      4) 低成本成型工艺,罐外成型(Out of Autoclave, OOA)。

      5) 复合材料模具的材料(金属材料或复合材料)和结构特征,毕业实习中再次参观讲解复合材料模具的优点。

    • 1) 航空特种橡胶的配方设计、橡胶材料的开炼密炼、O型密封圈模具设计、O型圈的模型硫化成型,零件的缺陷分析。

      2) 难粘高分子的表面物理改性(低温等离子体处理)、化学改性(钠萘液处理),处理效果评判(接触角测试、剥离强度测试),橡胶胶黏剂的涂覆工艺。

    • 充分利用航空企事业单位在实践性环节的天然优势,进行航空特色内容建设十分重要。自高分子材料与工程专业开设以来,就与省内的中国航空工业的航空企业建立了实训基地,四年级的学生都安排在洪都飞机公司、昌河飞机公司进行实践性环节的教学,具体感受航空制造中的先进高分子材料。

    • 在航空强省的历史机遇下,建设好高分子材料与工程这一航空特色专业主干课程的航空特色内容,是我们的历史任务。在聚合物加工工程课程内容,增补了航空特色课程内容,教学效果良好、受到学生欢迎。

参考文献 (24)

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