復(fù)合材料先進(jìn)制造技術(shù)成熟度分析

趙毅

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院，中國 上海201210）

技術(shù)完備等級（TRL）是一種比較系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評價方法,由美國NASA于20世紀(jì)90年代初提出,并被美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory)作為武器系統(tǒng)技術(shù)成熟度的評價方法。1999年,美國國防部開始執(zhí)行TRL,并頒發(fā)TRL軍標(biāo)指南草案。美國其它政府部門、機(jī)構(gòu)和許多國際技術(shù)組織自美軍頒發(fā)TRL軍標(biāo)指南草案后,也開始在項目管理的適用性評價工作中推廣應(yīng)用TRL。

NASA按技術(shù)的發(fā)展過程將技術(shù)成熟度劃分為九級:TRL 1～TRL 9。國內(nèi)外航空企業(yè)型號研制中,復(fù)合材料的應(yīng)用通常采用積木式方法逐步驗證和實施。積木式方法對復(fù)合材料從試件、元件、組件、部件,直到全尺寸部件結(jié)構(gòu)都需要進(jìn)行嚴(yán)格考核,以避免結(jié)構(gòu)超重和結(jié)構(gòu)設(shè)計的風(fēng)險。其遵循的層級遞進(jìn)的研究方法同樣可以歸納為表1所示的9個成熟度等級。

表1 復(fù)合材料的技術(shù)成熟度TRL等級

復(fù)合材料技術(shù)成熟度達(dá)到TRL 6之前,主要以預(yù)研為主,而TRL 6以上則可進(jìn)入工程化開發(fā)階段,供型號選用。一般情況下,一種新復(fù)合材料技術(shù)處于單一的TRL等級。新材料的研制并不一定要經(jīng)歷所有TRL等級,但跨等級發(fā)展將增加材料研制的風(fēng)險。

美國在過去的幾十年中實施了一系列的復(fù)合材料研究計劃，以解決飛機(jī)復(fù)合材料設(shè)計、制造、生產(chǎn)、試驗中遇到的問題。通過這些研究計劃的實施，美國實現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由飛機(jī)次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)中的過渡，積累了復(fù)合材料機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗，確定了一系列的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則和試驗方法，解決了復(fù)合材料生產(chǎn)過程中遇到的諸多困難，從而大大推動了美構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。這些研究成果集中的體現(xiàn)在Boeing-787、F-22、B-2等新一代先進(jìn)飛機(jī)中。

為了解決復(fù)合材料生產(chǎn)制造方面存在的一些問題，進(jìn)一步推動復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，NASA對多種復(fù)合材料制造技術(shù)進(jìn)行了研究。其研究重點是纖維自動鋪放技術(shù)、編織復(fù)合材料的損傷容限設(shè)計和復(fù)合材料的液體成型工藝。此外，對復(fù)合材料的高速自動化生產(chǎn)技術(shù)和低成本的復(fù)合材料制造設(shè)備也進(jìn)行了一些探索性研究，以解決復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成本問題。

在復(fù)合材料制備方面，NASA蘭利研究中心重點發(fā)展熱固性和熱塑性復(fù)合材料的低成本自動生產(chǎn)技術(shù)；對復(fù)合材料預(yù)浸料的低成本液體成型工藝也進(jìn)行了研究。

在復(fù)合材料的低成本自動制造工藝研究中，詳細(xì)的討論了纖維自動鋪放等熱塑性和熱固性復(fù)合材料材料的制造工藝。在復(fù)合材料預(yù)浸料的液體成型工藝研究中，主要討論了樹脂膜熔浸(RFI)、樹脂轉(zhuǎn)移成型(RTM)和真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移成型(VARTM)。通過在復(fù)合材料機(jī)翼盒段結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，對用這些低成本制造方法生產(chǎn)的材料和結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了鑒定。

實例1：

為了解決編織復(fù)合材料預(yù)浸料的制造問題，NASA研制出了新一代的高效縫紉設(shè)備，解決了先前的縫紉設(shè)備存在的問題，采用該設(shè)備能夠?qū)蜋C(jī)機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速縫紉，從而提高了結(jié)構(gòu)的損傷容限和面外性能特性。研究人員采用該設(shè)備制造的蒙皮壁板結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于AST計劃中的機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1所示。

圖1 Stitch/RFI復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮壁板

實例2：

對于樹脂膜熔浸技術(shù)(RFI)，研發(fā)出了可重復(fù)使用的真空袋；并通過建立三維模型對材料生產(chǎn)過程中樹脂材料的流動性、流動路徑和滲透時間等進(jìn)行了研究，明確了預(yù)浸料的緊密型和滲透性對結(jié)構(gòu)性能的影響。采用RFI技術(shù)制造出了完整的機(jī)翼蒙皮壁板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 機(jī)翼蒙皮壁板的真空袋

實例3：

對于纖維自動鋪帶技術(shù)，研究人員研制出了新的用于纖維自動鋪放的自動化設(shè)備；采用該設(shè)備可以復(fù)合材料單向?qū)舆M(jìn)行加熱、鋪放和剪裁等，新的鋪放設(shè)備能夠鋪設(shè)五個0.635cm寬的纖維或3.18cm寬的熱塑性或者熱固性膠體材料，并且可以繼續(xù)改進(jìn)從而鋪設(shè)更窄的纖維材料，從而提高了復(fù)合材料的生產(chǎn)效率。

采用這種制造工藝制成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于Boeing-777客機(jī)的尾翼結(jié)構(gòu)、F/A-18E/F的尾翼和進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)和V22的部分零件結(jié)構(gòu)上。

采用纖維自動鋪放技術(shù)制造出了高質(zhì)量、高強(qiáng)度準(zhǔn)各向同性圓柱形殼體復(fù)合材料板，圖3為復(fù)合材料殼體的照片。

圖3 復(fù)合材料圓筒

技術(shù)成熟度分析：

實例1、2、3中，應(yīng)用這些新的研究成果，NASA研究人員制造了大量的典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，這些典型結(jié)構(gòu)的制造成功，為以后復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。其中的某些制造工藝已經(jīng)應(yīng)用于具體型號的結(jié)構(gòu)制造中。

根據(jù)NASA九級技術(shù)成熟度標(biāo)準(zhǔn)，該項技術(shù)的技術(shù)成熟度為9。

［1］楊乃賓.新一代大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[J].航空學(xué)報,2008,29(3):596-604.

［2］楊乃賓.大型民機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料分析[J].航空制造技術(shù),2009(5):68-70.

［3］牛春勻.實用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.