民用飛機(jī)復(fù)合材料技術(shù)簡(jiǎn)述

蘇大帥

摘 要：本文立足于我國(guó)民用飛機(jī)事業(yè)的興起，著重闡述了與民用飛機(jī)設(shè)計(jì)制造息息相關(guān)的復(fù)合材料技術(shù)?，F(xiàn)在復(fù)合材料在先進(jìn)民機(jī)制造上用的越來(lái)越多，一架飛機(jī)是否先進(jìn)很大程度上取決于復(fù)合材料的應(yīng)用狀況。鑒于復(fù)合材料的重要性，本文從復(fù)合材料的基本概念到先進(jìn)的復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并提出了自己的希望和建議。

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料，民用飛機(jī)，復(fù)合材料成型技術(shù)，LCM，AFP

一、引言

發(fā)展大型飛機(jī)已被列入我國(guó)中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃，中國(guó)商飛公司已經(jīng)成立，中國(guó)大型飛機(jī)產(chǎn)業(yè)的春天已經(jīng)來(lái)臨，中國(guó)民用飛機(jī)繁榮發(fā)展的時(shí)期已經(jīng)到來(lái)。中國(guó)商用的大型飛機(jī)不但要滿足國(guó)內(nèi)需求還要銷往全世界，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，這就要求中國(guó)的大型飛機(jī)必須滿足國(guó)際上的需求，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合材料技術(shù)在大型飛機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)是未來(lái)飛機(jī)制造的趨勢(shì)，是評(píng)判一架飛機(jī)是否先進(jìn)的重要指標(biāo)，也是客戶是否決定購(gòu)買(mǎi)的一個(gè)重要因素。我國(guó)自主研制的大飛機(jī)也離不開(kāi)復(fù)合材料技術(shù)，也需不斷提高復(fù)合材料的應(yīng)用比例。復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用，離不開(kāi)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展。

本文主要闡述民用飛機(jī)上應(yīng)用的復(fù)合材料及復(fù)合材料技術(shù)，并對(duì)我國(guó)大飛機(jī)用復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展提出希望和建議。

二、民用飛機(jī)用復(fù)合材料和復(fù)合材料技術(shù)

（1）民用飛機(jī)用復(fù)合材料

復(fù)合材料開(kāi)發(fā)源于軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重、提高效率需求。復(fù)合材料即人造的、具有金屬材料高強(qiáng)度、高模量性能特征的非金屬材料。在大型飛機(jī)上應(yīng)用的主要是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是由兩大組分（增強(qiáng)材料和基體材料），三個(gè)結(jié)構(gòu)單元（連續(xù)纖維、基體、界面）構(gòu)成。增強(qiáng)材料一般是纖維增強(qiáng)材料，主要有碳纖維和玻璃纖維；基體材料主要是樹(shù)脂基體，包括環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺及熱塑性樹(shù)脂等。第一代復(fù)合材料1980年后大量使用，增強(qiáng)體為高強(qiáng)碳纖維T300、AS4等，增強(qiáng)體為脆性或改性熱固性環(huán)氧如5280、3501-6等，多采用熱壓罐內(nèi)固化；新一代復(fù)合材料增強(qiáng)材料為中模量高強(qiáng)碳纖維如T800H、T800S、IMS，基體材料為高溫固化增韌樹(shù)脂有3900-2、977-2、M21，自動(dòng)化、整體化工藝得到應(yīng)用。

（2）民用飛機(jī)復(fù)合材料技術(shù)

目前，民用飛機(jī)采用的復(fù)合材料技術(shù)主要有液態(tài)復(fù)合成型（LCM）和自動(dòng)化鋪層、拉擠（Pullrusion）和熱塑性樹(shù)脂成型/焊接技術(shù)等新型制造技術(shù)，這些新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用如虎添翼的促進(jìn)了復(fù)合材料成本的降低和應(yīng)用的擴(kuò)大。

①液態(tài)復(fù)合成型（LCM）

液態(tài)復(fù)合成型（LCM）主要有樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM）和樹(shù)脂膜浸滲（RFI）兩種制備技術(shù)。由于LCM 技術(shù)具有成本低、周期短、質(zhì)量高、工作環(huán)境好和有利于結(jié)構(gòu)整體化等優(yōu)點(diǎn)， 使原來(lái)在減重方面就占優(yōu)勢(shì)的樹(shù)脂基復(fù)合材料如虎添翼， 顯著增強(qiáng)了與金屬材料的競(jìng)爭(zhēng)力。

RTM適于形狀較為復(fù)雜的制件，并且可以根據(jù)載荷對(duì)纖維分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。F-35垂尾是首次采用RTM（樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑）成型技術(shù)的全復(fù)合材料整體尾翼構(gòu)件，其規(guī)格很大（長(zhǎng)3.6m，重90kg），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使垂尾的零件數(shù)從原來(lái)13個(gè)減至1個(gè)，緊固件取消了1000個(gè)，制造費(fèi)用減少60%以上；F-22的進(jìn)氣口、前機(jī)身部分隔框、梁和駕駛艙地板加強(qiáng)件等400多個(gè)RTM構(gòu)件。

采用RFI技術(shù)對(duì)于受力均勻的大型薄壁構(gòu)件，如壓力艙隔板，可以大幅度降低成本。波音787地板橫梁、A380襟翼軌梁、A380壓力隔框均采用了RFI技術(shù)制造。

②自動(dòng)鋪層

自動(dòng)化鋪層則分為ATL（自動(dòng)鋪帶）和AFP（自動(dòng)鋪絲）兩種制備技術(shù)。共同特點(diǎn)是使用航空級(jí)預(yù)浸料，數(shù)字化、自動(dòng)化制造。自動(dòng)鋪絲技術(shù)主要用于機(jī)身等大曲率部件成型。

自動(dòng)鋪帶技術(shù)主要用于機(jī)翼壁板等小曲率部件成型。自動(dòng)鋪帶技術(shù)的另一種應(yīng)用是制造翼梁，先整體鋪放平板，然后采用熱成型工藝形成翼梁后再固化，生產(chǎn)效率提高33倍[2]。自動(dòng)鋪帶技術(shù)（ATL）也普遍應(yīng)用在機(jī)翼、尾翼、中央翼蒙皮類等主承力復(fù)材構(gòu)件上。例如美國(guó)海軍A6轟炸機(jī)機(jī)翼，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼，波音777飛機(jī)機(jī)翼，水平和垂直安定面蒙皮都采用了這項(xiàng)技術(shù)。

③層間混雜復(fù)合材料（纖維金屬層板）

層間混雜復(fù)合材料，如圖1，經(jīng)歷了如下發(fā)展：第一代ARALL （Aramid Aluminium Laminate， 即芳綸纖維鋁合金層板）→第二代GLARE（玻璃纖維鋁合金層板）→第三代CARE（碳纖維鋁合金層板）→第四代TiGr（石墨纖維鈦合金層板）。

ARALL （ 芳綸纖維鋁合金層板） 存在芳綸纖維容易在疲勞過(guò)程發(fā)生斷裂和成本較高的缺點(diǎn)，與ARALL相比，GLARE的密度較高和模量較低，但其成本顯著降低，而且顯著提高了疲勞性能、拉伸強(qiáng)度、壓縮性能、沖擊性能和阻尼性能[3]。CARE（碳纖維鋁合金層板）很難徹底解決碳纖維與鋁合金之間的接觸腐蝕問(wèn)題，因此迄今無(wú)商品化產(chǎn)品，而TiGr既無(wú)電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，又可進(jìn)一步提高綜合性能（特別是高溫性能），因此就應(yīng)運(yùn)而生。

④先進(jìn)拉擠技術(shù)（ADP）和熱塑性樹(shù)脂成型/焊接技術(shù)

拉擠成型工藝?yán)脴?shù)脂的熱粘流性和玻璃纖維的連續(xù)性、松弛壓縮性特點(diǎn)成型，適用于成型制造各種不同定截面的管、桿、棒、角形、工字形、槽形、板材等型材。筋條、長(zhǎng)桁和地板梁一類復(fù)合材料構(gòu)件采用手工鋪疊效率很低，但由于尺寸較小又不適于采用自動(dòng)鋪放技術(shù)，通用拉擠技術(shù)難以保障其質(zhì)量。日本JAMCO公司研發(fā)了ADP技術(shù)，采用單向和織物預(yù)浸料間歇連續(xù)拉擠成型制造梁類構(gòu)件。ADP采用航空級(jí)預(yù)浸料、精確控制工藝使孔隙率小于1%、纖維含量達(dá)到65%[1]，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)熱壓罐制件性能。

三、結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合材料技術(shù)在民用飛機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，中國(guó)要自己設(shè)計(jì)制造自己的大飛機(jī)，也必須注重復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。我國(guó)的復(fù)合材料技術(shù)已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，隨著我國(guó)大飛機(jī)事業(yè)的起飛，必將帶動(dòng)我國(guó)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級(jí)，所有的材料工作者及相關(guān)企業(yè)需抓住機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，提升復(fù)合材料技術(shù)水平，推動(dòng)我國(guó)大飛機(jī)事業(yè)的騰飛。相信在不久的未來(lái)，我國(guó)復(fù)合材料技術(shù)必定有質(zhì)的飛躍，達(dá)到甚至引領(lǐng)世界先進(jìn)水平。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] High Performance Composite Magazines[J] .

[2] 李建龍. 大飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)[J].

[3] 曹春曉. 一代材料技術(shù)，一代大型飛機(jī)[J].航空學(xué)報(bào)，2008，29（3）.