液體成型技術在國內寬體客機的應用①

張景雯 何佳玲 孟祥鈺 沈凱雯 陳吉平 魏毅

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.011

摘 要：該文分析了新型民航飛機復合材料成型技術應用現狀。適值國產大型民用寬體客機自主研發(fā)階段，該文就液體成型工藝在國內的研究成果進行了分析。參考液體成型技術在國內外大型客機的典型應用成果，對液體成型技術在國產寬體客機的應用進行了大膽展望。

關鍵詞：客機 復合材料 液體成型技術

中圖分類號：V214 8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（a）-0011-03

隨著中國航空市場的快速成長，自主研制寬體客機對中國未來社會的經濟與國防特別是科學技術的整體推進，都有著非常重大的歷史意義。目前，中國自主研發(fā)的C919型支線客機已經下線，大型民用寬體客機也已進入研究階段。隨著復合材料在寬體客機中的大量應用，先進復合材料的成型工藝成本已占總成本的60%～70%。液體成型技術因其優(yōu)異的性能成為了國內外研究的新方向，液體成型技術將樹脂流動方式與干態(tài)纖維相結合，很好地降低了預浸料在制備、儲存、運輸上的成本；干態(tài)纖維可以通過縫、編技術對復合材料結構進行三維增強，從而降低了外力對結構的破壞；成型過程大多采用非熱壓罐方式進行固化，節(jié)約了熱壓罐設備的高昂成本，同時降低提供壓力和熱能所需的大量能耗，還能減少了因此而產生的有害排放；由于突破了熱壓罐的限制，這一成型方法可以更好地支持寬體客機的整體成型技術。但現在仍未被大量應用于民用客機，故其在這一領域有著廣闊的發(fā)展空間。

1 新型民航客機復合材料成型技術

1.1 國外寬體客機復合材料成型技術概述

近年來尤其在2000年后國外大型客機機體復合材料用料比例大幅上升，其中主流的遠程寬體客機的復合材料用量已達到50%以上，如代表當今世界民用飛機制造技術最高水平的波音787和空客350，其復合材料的質量分數已高達50%和52%。

目前民用航空復合材料構件主要使用熱壓罐工藝進行生產，并將該工藝與各種整體化成型技術和自動化制造技術進行了結合。波音787使用熱壓罐工藝生產碳纖維復合材料夾芯結構，并用熱壓罐整體固化工藝制造了整體機身筒段結構；而在A380上則用熱壓罐工藝制造生產了中央翼盒結構。

但是熱壓罐工藝制造復合材料的成本占整個復合材料生產成本的70%以上。而液體成型技術作為國內外公認的低成本制造技術已經在各國得到了長足發(fā)展。A380的機身部段使用RFI技術；B787的機翼后緣操縱面使用VARTM工藝；A380、B787球面框均使用了液體成型技術，使得整體框架纖維體積密度達到65%，孔隙率<0.2%[1]。

1.2 液體成型工藝在俄MS-21客機上的應用

俄羅斯MS-21單通道客機的翼梁、蒙皮壁板和中央翼盒6個截面壁板等主承力構件，首次采用干絲鋪放樹脂真空注射技術。其中相對于預浸料，干纖維鋪設過程的難點在于確保纖維定位，俄羅斯通過能調整溫度的鋪絲頭，采用鋪絲機進行干纖維鋪覆定位，成功解決這一難點。機體結構復合材料用量達到了40%[2]。

使用液體成型工藝制造大尺寸主承力構件，所用烘箱的設備費用為同等尺寸熱壓罐成本的1/7～1/10；干纖維和液體樹脂的成本低于相同材料轉化成預浸材料的70%；熱壓罐預浸料坯儲存壽命為9～12個月，而干纖維材料保質期更長且可以在室溫下保存，提高了生產質量，降低了產品風險。新型MS-21客機機翼原型件的孔隙率僅為0.3%，可與熱壓罐固化的質量水平相媲美[3]。MS-21客機的主要技術性能相比空中客車公司生產的A320客機高出了12%～15%，并且通過降低燃料消耗將其經濟性提高了25%。此外，由于復合材料的廣泛應用，MS-21的客機重量僅為A320的15%。MS-21飛機具有良好的價格優(yōu)勢。液體成型技術相比傳統(tǒng)預浸料熱壓罐成型技術具有明顯的優(yōu)勢。

2 液體成型（用于民用客機）在國內的研究進展

2.1 液體成型

VARI成型在真空狀態(tài)下排出纖維增強體中的氣體，利用樹脂的流動滲透實現了對纖維及其織物的浸漬，經過升溫固化、冷卻脫模形成一定樹脂/纖維比例復合材料構件。VARI成型只需單面模具來鋪放纖維，節(jié)省費用；無需加高熱、高壓力，降低能耗；相比以往的成型工藝，克服了模具選材困難，成本昂貴，制造困難等問題[4]。其工藝原理如圖1所示。

樹脂傳遞模塑成型RTM，是一種在低壓、密閉容器中制造復合材料的成型方法。具有效率高、成本低的優(yōu)勢，同時能夠保證較好的制品質量、較高的尺寸精度、較大的原材料利用率，而且研制周期短、受環(huán)境影響小[5]，生產過程中有害物質散發(fā)量較少，適合制造高強度結構的復合材料構件。

RTM技術發(fā)展很快，目前在上述成型基本過程的基礎上，還衍生出一些特殊RTM技術，這些技術主要有真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）、共注射樹脂傳遞模塑（CIRTM）等。VARTM工藝更適合成型大厚度、大尺寸制件，尤其是船舶、汽車、飛機等結構件[6]。

2.2 國內液體成型（用于民用客機）的研究進展

2.2.1 VARI成型

中航復材[7]提出HFVI技術（一種適用于高纖維體積含量VARI工藝樹脂流動控制技術），利用該技術生產的加筋壁板纖維體積含量達到56%，并成功應用于飛機艙門下壁板的研制。

另外上海飛機制造有限公司的COMAC919項目開展了對于VARI成型樹脂，增強材料等材料參數試驗研究，縫合預成型體制備，升降舵VARI成型模擬，VARI成型復合材料升降舵樣件研制，以及試樣的無損檢測，完成了升降舵1∶1模型的制造，且對VARI成型的關鍵技術已經有所突破。

第一，需要保證的重要技術指標是纖維體積含量。復合材料厚度主要受到增強材料結構形式，成型壓力和基體樹脂粘度的影響。上飛采用兩種不同的方法來確保成型工藝中的真空度達到所需要求。最后將纖維體積含量基本控制在55%～58%。其中實驗板的復合材料板材的厚度（纖維體積含量）的分布示例如圖2所示，并且根據幾組不同部位的板材厚度數據可得纖維體積含量大致維持在57.08%附近。

第二，提出了解決VARI成型工藝中樹脂難滲透到導流網另一側浸透增強材料而形成大面積干斑問題的方法，從而達到飛機結構中大面積泡沫夾層結構的設計要求。

第三，通過控制泡沫芯材和碳纖維復合材料蒙皮界面附近樹脂的流動，提高界面增強材料的毛細作用，解決了界面膠接的質量問題。

將上述試樣解剖，采用晶相顯微鏡觀察表明，3種試樣的泡沫表面開口單元基本全部被樹脂填充，說明復合材料的泡沫界面確實得到了改善。

第四，預成型體的制備是液體成型的關鍵技術，主要從兩個方面進行控制：預定型劑的設計和縫合工藝。在定型劑定型技術上，用樹脂粉末作為定型劑，實現經過真空袋預定型后的材料區(qū)域不會位移，不起皺紋；在縫合工藝上，通過精確調節(jié)縫合張力提高了縫合技術。

2.2.2 RTM技術

RTM技術工藝相對成熟，中航復材[7]利用高效樹脂控制流動技術制造了外形尺寸達到1 800 mm×2 800 mm×200 mm的多腔體結構整體件。同時C919的擾流板中也進行了RTM成型的嘗試，但因其應用于大型件時需要加壓力，且樹脂粘度較難控制，所以RTM在飛機主承力多腔結構整體件的大批量生產中應用較少。

3 國內寬體客機液體成型創(chuàng)新性展望

3.1 液體成型技術應用于寬體客機的展望

目前商飛公司已經利用VARI成型制造了飛機中屬于非主承力結構的升降舵。且技術較為成熟，可應用于大批量生產的飛機結構件，比如整流罩、水平尾翼、方向舵、擾流板等，另外機翼、機身、尾翼等主承力構件也可用VARI成型。

現階段RTM已經投入到某些承力結構的生產。利用該技術，Douglas與NASA聯合生產的飛機機翼壁板已交付試驗，并制成了1.8 m×1.2 m和3 m×1.2 m的變截面蒙皮加筋板；RAH-66主旋翼也已采用RTM工藝。三菱重工采用VARTM研制了MRJ垂直尾翼主盒段。

利用干絲鋪放樹脂真空注射技術，俄羅斯生產的MS-21客機在機翼和翼盒這類主承力結構上成功采用液體成型，并且完全能達到熱壓罐成型水平。

基于以上論述與分析，該文設想可以在寬體客機上廣泛使用液體成型技術，作為國內民航客機制造的創(chuàng)新點。

3.2 液體成型技術整體成型寬體客機機身的展望

整體成型能夠提高飛機組裝的精度，大量減少了連接件和墊片的數量，因而減重效果明顯，減少了裝配工時和裝配設備的數量，降低了成本；機身的氣密性、抗疲勞和耐腐蝕性能大幅提高，其中氣密性的提高又為客機內增壓增濕提供了可行性。

采用真空袋-烘箱成型實現了某輕型公務機的中機身的整體共固化[8]；美國NASA的Boeing預成型體計劃中，采用VARI工藝對機翼結構復合材料及加強筋機身整體復合材料夾層結構的成型進行了驗證；美國Seaman公司已實現用VARI工藝整體制造半個機身；中航[8]研究表明可以準確定位將翼盒、防火墻、舷窗已固化的零件作為預埋件通過填充膠填充完成共膠結?；谝陨蠋讉€實例，該文提出以下設想：一些非熱壓罐成型技術已經能夠實現部分機身的共固化成型，所以液體成型技術可能應用于機身整體成型，相信通過已經成熟的二次膠接技術接將兩個半機身拼接在一起即可成型整體機身。

4 結語

目前，中國商飛正在進行民用寬體客機的自主研發(fā)，基于對國內外復合材料及其成型技術大量的研究和分析，液體成型共固化，多機段、多構件二次膠接及共膠接等技術相互結合，有可能實現液體成型在機身整體成型中的全面應用，從而達到復合材料用量提升、性能提高，設備等制造成本大大降低，能耗排放顯著減少的目的。利用液體整體成型技術自主制造出新一代民用飛機指日可待。

參考文獻

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