航空復(fù)合材料制造技術(shù)及發(fā)展趨勢探討

陳麗鳳

（上海飛機(jī)制造有限公司復(fù)材膠接車間，上海200120）

航空復(fù)合材料制造技術(shù)及發(fā)展趨勢探討

陳麗鳳

（上海飛機(jī)制造有限公司復(fù)材膠接車間，上海200120）

隨著航空技術(shù)、智能化、無人機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料的制造技術(shù)正在不斷地突破。本文將從復(fù)合材料在航空領(lǐng)域使用的重要作用入手，對航空復(fù)合材料的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，然后對其發(fā)展趨勢和方向進(jìn)行分析概述。

復(fù)合材料；航空制造；工藝技術(shù)；發(fā)展趨勢

早在20世紀(jì)60年代，復(fù)合材料就已應(yīng)用于航空領(lǐng)域，隨著近幾年航天科技的飛速發(fā)展，飛行器也不斷朝著高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向突破，航空復(fù)合材料的制造技術(shù)以及材料性能也在不斷提高。先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)成為航空航天四大材料之一。飛機(jī)的大部分都是采用復(fù)合材料，可見復(fù)合材料對航空工業(yè)的重要性。正所謂“一代材料，一代飛機(jī)”，材料的水平直接決定著航空、航天領(lǐng)域的發(fā)展。我國目前在復(fù)合材料的技術(shù)方面還不太成熟，加強(qiáng)對航空復(fù)合材料制造技術(shù)研究有重要意義。本文對復(fù)合材料零件成形技術(shù)和預(yù)形件制造技術(shù)的發(fā)展做簡要概述。

1 零件成形技術(shù)

所謂零件成形技術(shù)是在滿足零件外形的情況下，不損傷纖維并確保它們合理地分布在基體中而不產(chǎn)生重大空隙的工藝方法，該技術(shù)常應(yīng)用于航空航天彎管類零件和鈑金零件等各種零件的加工。復(fù)合材料成形工藝特點(diǎn)主要取決于復(fù)合材料基體，基體材料本身的成形方法也往往適用于以該材料為基體的復(fù)合材料。目前來看，零件成形技術(shù)主要有RTM、RFI、纖絲纏繞、自動鋪帶、鋪絲等技術(shù)。

（1）RTM成形技術(shù)

RTM是指樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形技術(shù)，由于環(huán)保、成本低、質(zhì)量好，且能形成雙面大型的整體件，達(dá)到節(jié)約裝配工作等優(yōu)點(diǎn)，因而其在強(qiáng)度主承力結(jié)構(gòu)件的制造方面運(yùn)用非常廣泛，如：艙門、檢查口蓋等。在大型RTM件也有應(yīng)用，如在F-35上垂尾上的應(yīng)用。就發(fā)展趨勢來說，要對孔隙大、纖維含量低、樹脂分布不勻浸漬等各種問題進(jìn)行解決[1]。在今后的技術(shù)研發(fā)中，充填過程模擬技術(shù)、熱傳遞和固化反應(yīng)研究、注射方法研究、RTM設(shè)備研究等幾個方面是關(guān)鍵。

（2）RFI工藝技術(shù)

RFI工藝技術(shù)又稱為樹脂浸漬技術(shù)，該技術(shù)是樹脂膜熔滲和纖維預(yù)制體相融合形成的一種低成本復(fù)合材料成形技術(shù)，其采用傳統(tǒng)的真空袋壓成形方法進(jìn)行工藝生產(chǎn)，現(xiàn)在主用于飛機(jī)雷達(dá)天線罩等大平面或不太復(fù)雜的曲面構(gòu)件的生產(chǎn)。RFI工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以使用熟知的預(yù)浸料樹脂體系，其成形的復(fù)合材料性能與預(yù)浸料成形復(fù)合材料的性能相同。RFI工藝使用樹脂膜，制造脂膜的成本約為純樹脂成本的兩倍，成本較高。此外，這種樹脂膜在沒有載體的情況下操作不便，如膠黏劑膜。RFI技術(shù)在真空袋系統(tǒng)進(jìn)行固化時對溫度要求較高，因此對核心材料及工裝的高溫承受要求比較高，在之后的發(fā)展研究中，RFI更多的要從三維編織及縫合、樹脂流動模擬及控制等方面入手進(jìn)行研究開發(fā)。

（3）纖維纏繞技術(shù)

纖維纏繞是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，是通過把纖維束進(jìn)過浸漬后通過纖維進(jìn)給裝置纏繞到芯軸上，主要是采用了編織帶纏繞技術(shù)，該技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料自動化成型技術(shù)。纏繞成形制品具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、隔熱耐腐蝕性能和良好的工藝性，主要用于空心、圓形及橢圓零件。在以后的發(fā)展中，纖維纏繞技術(shù)在克服了成本高、自動化程度低的缺點(diǎn)后，應(yīng)用范圍顯著擴(kuò)大。

（4）自動鋪帶和自動鋪絲技術(shù)

自動鋪帶技術(shù)是國外應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料制造技術(shù)之一，是通過數(shù)控技術(shù)完成，采用有隔離襯紙的單向預(yù)浸帶，剪裁、定位、鋪疊、輥壓等自動化生產(chǎn)。自動鋪絲技術(shù)相對自動鋪帶技術(shù)更加精細(xì)，能完成更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且材料消耗率更低。它兼顧了自動鋪疊與纖維纏繞的優(yōu)點(diǎn)。目前，多鋪放頭鋪帶機(jī)、針對特定構(gòu)件的專用化鋪帶機(jī)、超聲切割復(fù)合化是自動鋪帶和鋪絲技術(shù)的發(fā)展放心，包括系統(tǒng)優(yōu)化、快速檢測等。自動化鋪絲和鋪帶運(yùn)用比較廣，大多用于機(jī)身段和尾翼等。

2 預(yù)形件制造技術(shù)

在復(fù)合材料制造中，采用預(yù)形件制造技術(shù)，主要是增強(qiáng)二維復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)在厚度方向的強(qiáng)度，預(yù)形件制造技術(shù)多用于層板連接、縫合等，目前，這方面的制造技術(shù)大多有縫合、縱向加強(qiáng)、三維異形整體機(jī)織、編織、針織、經(jīng)編等6種技術(shù)[2]。

（1）縫合技術(shù)：縫合技術(shù)是針對纖維織物，通過纖維和縫合機(jī)將不同的部分連接到一起，再進(jìn)行復(fù)合固化，最終形成紡織類的復(fù)合材料。這類材料大多用于蒙皮復(fù)合材料預(yù)形件，有著強(qiáng)度高、可變性大、抗剪切能力強(qiáng)、韌性好、抗疲勞、重量輕、成本低等優(yōu)勢。目前所采用的縫合技術(shù)大多是美國開發(fā)的。對我國來說，縫合技術(shù)之后的發(fā)展方向主要在于產(chǎn)品的厚度、連接強(qiáng)度方面。

（2）縱向加強(qiáng)技術(shù)：縱向加強(qiáng)技術(shù)是在連接固化前或固化過程中用銷棒插入到層板中使其更近一步連接，這樣可以獲得三維增強(qiáng)復(fù)合材料。目的是為了更好地加強(qiáng)復(fù)合材料的韌性，增加其抗斷裂能力。當(dāng)縱向加強(qiáng)技術(shù)與縫合技術(shù)結(jié)合起來，能很好地加強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂韌性，更能提高受沖擊力。相對縫合技術(shù)來說，縱向增強(qiáng)技術(shù)因?yàn)槠洳皇艹叽绾秃穸鹊南拗疲邪l(fā)展?jié)摿?，是未來航空飛行器應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵。

（3）三維異型整體機(jī)織：三維異行整體機(jī)織工藝已經(jīng)比較成熟了，目前在復(fù)合材料行業(yè)已經(jīng)運(yùn)用得非常廣泛了，也可用于纖維織物復(fù)合材料方面，主要是采用三維異型整體機(jī)輔助制件而成，三維異型整體機(jī)織生產(chǎn)的產(chǎn)品，有著很強(qiáng)的整體性和力學(xué)合理性，是一種高級復(fù)合材料，其作為整體材料，很好的解決了連接和泄漏的問題。對于該技術(shù)來說，在未來發(fā)展中，主要是一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的整體織物生產(chǎn)方面以及編織工藝方面的改進(jìn)，以此提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。

（4）編織、針織：這是普通的紡織工藝，一般用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的預(yù)形件定制，這樣能近一步增強(qiáng)某些部分的鏈接，但編織和針織均受設(shè)備和紗線的限制，目前來看，這種技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全自動生產(chǎn)。從未來來看，隨著三維編織機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，如果針織和編織技術(shù)若能共同實(shí)現(xiàn)完全自動化生產(chǎn)，那么其在未來飛機(jī)制造中將有著巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 層板及蜂窩結(jié)構(gòu)制造

纖維增強(qiáng)金屬層板（FRML）是混雜復(fù)合材料，是由金屬薄板和纖維樹脂預(yù)浸料交替鋪放膠合而成的，根據(jù)纖維的排列情況，可分為單向纖維增強(qiáng)金屬層板和多向纖維增強(qiáng)金屬層板。在這類材料中，纖維一般都具有很高的強(qiáng)度和模量，為承載組元，基體金屬（層板材料）起著固結(jié)纖維和傳載荷的作用，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料層壓板沿纖維方向具有高的尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)良的高溫特性[3]。

（1）層板結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)

航空飛行器所用復(fù)合金屬層板大多是由薄的金屬板和纖維織物經(jīng)處理膠合而成，在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)具體要求、用途，進(jìn)行復(fù)合材料中金屬類型、厚度、纖維的處理，生產(chǎn)過程中工藝、連接技術(shù)、鋪貼順序、纖維方向以及處理方式等也可隨之發(fā)生改變，這樣達(dá)到層板性能的改變。如：目前常用的層板是采用的鋁合金的復(fù)合薄板，若要增加材料的比剛度，可以把鋁合金改成鋁鋰合金；若要增加耐高溫，則可把鋁合金換成鈦合金。層板結(jié)構(gòu)中的纖維，一般采用玻璃、芳綸纖維、碳纖維和石墨等。

（2）蜂窩結(jié)構(gòu)制造

蜂窩復(fù)合材料是采取特殊結(jié)構(gòu)的材料，采取類似于連續(xù)排列的工字鋼結(jié)構(gòu)，使材料有抗壓、抗彎、重量輕、不易變形，不易開裂和斷裂，并具有減震、隔音、隔熱和極強(qiáng)的耐火性等優(yōu)點(diǎn)。其制造工藝是先用金屬制造成蜂窩，然后再用兩塊金屬板把它夾起來。這種蜂窩結(jié)構(gòu)的復(fù)合航天材料目前已大量用于航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、衛(wèi)星等各個方面，其未來發(fā)展前景也非常可觀，不僅在航空材料上，甚至在未來的大型軍用運(yùn)輸機(jī)及無人機(jī)等機(jī)體上有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。和層板結(jié)構(gòu)復(fù)合材料一樣，蜂窩結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際用途進(jìn)行用材的調(diào)整來增加剛度和硬度。

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的復(fù)合材料被開發(fā)并運(yùn)用，這對制造技術(shù)、檢測技術(shù)也都相應(yīng)提出了更高的要求。展望未來，我國應(yīng)加強(qiáng)復(fù)合材料的研發(fā)，相信隨著復(fù)合材料材料技術(shù)研究的深入，其將運(yùn)用到各行各業(yè)。

[1]任曉華.航空復(fù)合材料制造技術(shù)發(fā)展[J].航空科學(xué)技術(shù)，2010（4）：2-5.

[2]張 巖.復(fù)合材料制造技術(shù)現(xiàn)狀及在飛機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用[J].西安航空學(xué)院學(xué)報，2009，27（5）：1-3.

[3]周長庚，荀國立，邱啟艷，等.航空復(fù)合材料整體成型技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與分析[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2016（05）：52-57.

Discussion on Manufacturing Technology and Development Trend of Aerospace Composites

CHEN Li-feng
（Shanghai Aircraft Manufacturing Co.，Ltd.，Compound Adhesive Workshop，Shanghai 200120，China）

With the aviation technology，intelligent，unmanned aerial vehicles and other high-tech development，composite materials manufacturing technology is constantly breaking.In this paper，the important role of composite materials in the aviation field is introduced，and the technical status of aerospace composites is introduced，and then the development trend and direction are analyzed.

composites；aviation manufacturing；process technology；development trend

V258

A

1672-545X（2017）08-0080-02

2017-05-01

陳麗鳳（1984-），女，上海人，本科，助理工程師，研究方向?yàn)楹娇諒?fù)材類。