飛機復合材料先進制造技術探究

劉爽

[摘 要]隨著先進復合材料技術和工藝技術的迅速發(fā)展，復合材料在飛機上的應用比例穩(wěn)步增長，應用部位從非承力、次承力結構向主承力和核心部件擴展，本文總結了近年來推動復合材料發(fā)展的先進材料技術和制造工藝技術。

[關鍵詞]航空先進復合材料；材料技術；工藝技術

中圖分類號：V258 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）01-0310-01

1.引言

航空復合材料是一種由高強度、高剛度增強材料構成的新型材料，具有良好的抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優(yōu)點。復合材料是綜合權衡飛機減重、性能、成本三方面因素的理想材料，在飛機上大量應用可以明顯減輕飛機的結構重量，提高飛機的性能。

2.航空先進復合材料發(fā)展分析

復合材料原材料方面，航空用各種樹脂基復合材料水平有大幅度提高。在碳纖維材料方面，大絲束12k、24k已逐漸代替3k及6k，高強度的T700S及T800S已開始廣泛生產。以977-3/IM7和3900/T800S為代表的環(huán)氧樹脂復合材料已發(fā)展到第二代，其CAI達到245～315MPa，堪稱首屈一指。以5250-4/IM7為代表的雙馬基高溫復合材料已發(fā)展到第二代，工作溫度達到177℃，廣泛用于飛機高溫部位。

聚酰亞胺復合材料廣泛用于發(fā)動機高溫部位，缺點是含二氨基二苯甲烷（MDA）有毒，美國研究出無MDA的預浸帶可用于發(fā)動機及飛機；因鈦合金稀缺，聚酰亞胺預浸帶正研究用來代替500℃以下的鈦合金。美國Amber公司開發(fā)的C740阻燃氰酸乙酯樹脂與碳纖維組成的材料固化后工作溫度可達344℃，可用作無人機S-100的尾噴管及發(fā)動機。

3.航空復合材料先進工藝技術發(fā)展分析

航空復合材料先進工藝技術方面，數字化技術、自動化技術、低成本技術以及先進工藝裝備的應用和發(fā)展，推動了復合材料工藝技術從以手工制造、模擬量傳遞為特征的傳統(tǒng)技術迅速轉變?yōu)橐宰詣踊圃?、數字量傳遞為特征的先進技術，目前在航空復合材料中得到廣泛認可和推廣應用的先進制造技術如下：

3.1 數字化技術廣泛應用

采用數字量形式對產品進行全面描述和數據傳遞，實現了設計與制造之間的無縫對接。目前復合材料構件數字化制造主要體現在預浸料自動下料、激光鋪層定位和纖維自動鋪放等方面。

3.2 自動化技術迅猛發(fā)展

自動鋪疊可成型超大尺寸和形狀復雜的復合材料制件，而且質量穩(wěn)定，工件凈近成形，加工切削加工及原材料耗費減少。自動鋪帶及絲束鋪放的材料利用率達到80%～97%，而手工鋪層的材料利用率僅為40%，先進鋪帶技術可降低制造成本30%～50%。據統(tǒng)計，2001年前全球只有不足100臺自動化復合材料鋪層機，到2007年全球擁有自動化復合材料結構制造用機器人設備250臺。2007年大型民機復合材料結構只有43%是用自動化制造的，預計10年內將達到64%。

復合材料自動化技術包括自動鋪帶技術（ATL）和自動鋪絲（AFP）技術。目前最先進的第五代鋪帶機是帶有雙超聲切割刀和縫隙光學探測器的十軸鋪帶機，鋪帶寬度最大可達到300mm，鋪帶速度達（1.3～20.4）kg/h，生產效率可達到手工鋪疊的數十倍。所有波音787翼面及翼盒構件均采用自動鋪帶技術制造。

針對復雜雙曲率型面，由Hercules率先開發(fā)了自動絲束鋪放（ATP）。其結合了自動鋪帶和纖維纏繞技術的優(yōu)點，鋪束頭把纏繞技術所用的不同預浸紗束獨立輸送和鋪帶技術所用的壓實、切割、重送功能結合在一起，由鋪束頭將數根預浸紗束在壓輥下集束成為一條寬度可變的預浸帶，然后鋪放在芯模表面，鋪放過程中加熱軟化預浸紗束并壓實定型。目前最新的Viper6000系統(tǒng)可以鋪放并控制32個纖維束，每束寬3.2mm，鋪層帶寬達到10.2cm，鋪絲速度可達6.8～11.3kg/h，最高可達23kg/h，絲束的鋪放精度達到±1.3mm。

除廣泛采用自動化鋪層設備外，還廣泛采用了大型自動化高速噴水切割機、超聲切割機、數控自動化鉆鉚機、大型剪切螺栓緊固機等。

3.3 液態(tài)成型、非熱壓罐固化等多種工藝日趨成熟

VARTM技術是目前液態(tài)成形技術中發(fā)展得較為完善的一種，在CRJ700/900支線飛機、A380、787機身后壓力隔框及A400M貨艙門上廣泛應用了VAP技術，纖維體積密度達到65%，孔隙率小于0.2%。非熱壓罐固化雖會使纖維體積含量減少，但其影響甚小，如在VARTM技術中，單向帶及織物的纖維體積含量已分別達到60%和56%，而熱壓罐固化所能達到的相應值也僅為62%和58%。

較之VARTM和RTM更接近傳統(tǒng)方法的是采用為非熱壓罐固化開發(fā)的專用預浸料，然后在固化爐中固化。目前，先進復合材料公司的首個熱壓罐外固化復合材料MTM44-1已取得空客認可用做結構件。

3.4 先進無損檢測技術的應用

復合材料制件無損檢測設備主要需要配置大型超聲C掃描設備和X光無損檢測設備。此外激光剪切攝影及激光超聲檢測也是主要發(fā)展方向。

在超聲檢驗技術上最重要的進展之一是相控陣檢驗的開發(fā)。相控陣超聲檢驗與傳統(tǒng)超聲檢驗相比，改進了探測的概率，并明顯加快了檢驗速度。

波音及空軍實驗室等采用了一批先進的無損檢測技術。波音公司的移動式自動掃描機（MAUS）C掃描系統(tǒng)，檢測速度9.3m2/h；空軍實驗室的激光超聲檢驗速度是水浸超聲探傷的10倍。此外還有電子剪切成像、相控陣超聲等多種方法。

3.5 大型工藝裝備的建立

波音787的機翼固化用熱壓罐8m×40m，機身固化熱壓罐9m×23m。A380固化用熱壓罐9m×42m，為世界之最。此外還有Viper6000自動鋪放機、大型噴水切割機、隔膜成形機以及自動鉆鉚機等也是重要的大型設備。

大型構件的模具重量太大，重達45360kg，采用復合材料作模具，使波音787的后機身模具重量降低60%。目前還在開發(fā)氣相沉積薄殼鎳基合金模具，低溫固化復合材料制的模具、碳泡沫模具以及納米技術改性模具等。

3.6 手工鋪層在次承力結構制造中仍不可替代

手工鋪層在定貨量小，質量要求高的場合仍廣泛應用。它的優(yōu)點是可使蒙皮厚度有大的變化，進行局部加強。目前手工鋪層使用了許多專用設備來控制和保證鋪層的質量，如復合材料預浸料自動剪裁下料系統(tǒng)、鋪層激光定位系統(tǒng)等，從而將依賴于樣板的制造過程轉變?yōu)榭筛鶕秃喜牧显O計軟件產生的數據文件進行全面運作的制造過程。在某些形狀復雜的次承力構件制造中，手工鋪層仍是不可取代的。手工鋪層的缺點是要求鋪層人員有很高的技藝和施工經驗，手工鋪貼費工費時，效率低、成本高（占總成本的1/4），難以適應大批量生產和大型復雜復合材料制件的生產要求。

4.結論

先進復合材料在飛機上的應用和發(fā)展很大程度上取決于復合材料技術和工藝制造技術的快速進步。在目前及未來一段時期內，在適當保留傳統(tǒng)手工制造的基礎上，耐高溫、耐腐蝕、高強度等高性能復合材料及數字化、自動化、低成本制造技術是航空復合材料發(fā)展的主要方向。

參考文獻

[1] 益小蘇.先進復合材料技術研究與發(fā)展[M].國防工業(yè)出版社，2016，（5）.endprint