現(xiàn)代大飛機復(fù)合材料應(yīng)用與制造技術(shù)淺析

付天宇

摘 要：由于復(fù)合材料具有比強度高、比剛度大、可設(shè)計性強及良好的抗疲勞損傷性能和耐腐蝕性能的優(yōu)點，大批飛機零、部件相繼采用復(fù)合材料，并且采用復(fù)合材料的部位、面積和重量也日趨增加。將先進復(fù)合材料應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)中可相應(yīng)減重20%～30%，這是其他先進技術(shù)很難實現(xiàn)的效果。復(fù)合材料已成為鋁、鋼、鈦之后，迅速發(fā)展的四大航空材料之一，所占比例也越來越高，在民用飛機上獲得了大量應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代大飛機;復(fù)合材料應(yīng)用;制造技術(shù)

復(fù)合材料工藝技術(shù)的發(fā)展為實現(xiàn)民用飛機大部件的整體設(shè)計與整體制造提供了可能，使得飛機結(jié)構(gòu)零部件的數(shù)量大大減少，提高了飛機的生產(chǎn)效率和可靠性。目前采用復(fù)合材料取代金屬和非金屬等常規(guī)材料制造結(jié)構(gòu)件已經(jīng)成為世界民機制造業(yè)的主流趨勢，這對中國自主研制的大型民用飛機的市場競爭力提出了嚴峻的考驗

一、大型飛機復(fù)合材料制造技術(shù)

1.1 復(fù)合材料成本過高仍是制約飛機結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用復(fù)合材料的主要障礙，造成成本下不來、用量上不去的狀況。復(fù)合材料成本的70%以上來自制造工藝，因此，低成本的制造技術(shù)仍是復(fù)合材料發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問題。目前，國外復(fù)合材料最新的制造理念是整體制造（即盡量將復(fù)合材料設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)），采用諸如像自動鋪放、共固化或共膠接等技術(shù)實現(xiàn)整體制造。在滿足結(jié)構(gòu)總體性能要求的前提下，復(fù)合材料整體成型技術(shù)的意義在于可以通過減少零件數(shù)目、緊固件數(shù)量和協(xié)調(diào)/連接裝配工作量進一步減輕結(jié)構(gòu)重量，降低成本（尤其是制造成本）。同時，由于相應(yīng)釘孔數(shù)量下降，可改善結(jié)構(gòu)的承載能力，采用整體成型技術(shù)還可以減少分段、對接、間隙和臺階，使機體表面光滑，降低RCS值，提高隱身性能。

1.2 采用自動鋪放技術(shù)可顯著降低具有復(fù)雜形狀復(fù)合材料構(gòu)件的制造成本。最早的自動鋪放技術(shù)研究始于復(fù)合材料機身的制造，由于采用纏繞技術(shù)制造機身時纏繞張力使凹面產(chǎn)生縫隙，并使纖維滑移而偏離原來位置，且傳統(tǒng)的纏繞工藝無法有效改變厚度，纖維鋪放技術(shù)解決了上述問題，在大型復(fù)雜型面上鋪放和壓實連續(xù)預(yù)浸纖維，使得纖維在芯模上的鋪放完全在無壓力狀態(tài)下進行;鋪放預(yù)浸帶時可按要求調(diào)整其寬度，還能通過加熱或冷卻調(diào)節(jié)其粘度，自動鋪放精度可達0.005ram。自動鋪放（ATL/AFP）自動化制造技術(shù)可以提高制件質(zhì)量和工藝效率，減少零件數(shù)量，降低制造及裝配成本，目前該技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。

1.3 自動鋪帶適用于尺寸較大，曲率相對較小的零件，如整體壁板類零件、大梁、長桁等，而纖維自動鋪放適用于尺寸較大，形狀相對較復(fù)雜的零件，如機身段、進氣道等。目前哈飛集團已經(jīng)引進了自動鋪帶設(shè)備，下面以自動鋪帶為例，簡要介紹機翼整體壁板的制造流程。大型飛機機翼整體壁板結(jié)構(gòu)尺寸較大，不適于手工制造，只能采用自動鋪帶制造技術(shù)。整體壁板分為包括橫、縱向加強筋的格柵式整體壁板和只包括橫向加強筋的整體壁板。加強筋還分為工字形、T形等結(jié)構(gòu)形式，帶有工字形加強筋的格柵式整體壁板成型最為復(fù)雜，而只帶有橫向T形加強筋的整體壁板相對較易制造，但無論采用何種形式，其制造流程基本是一致的。

二、復(fù)合材料在大型民用飛機中的應(yīng)用

復(fù)合材料呈多層次結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜程度遠高于金屬材料，大型結(jié)構(gòu)件的整體成型和集成制造使得問題更加復(fù)雜化，因此其在大型民用飛機上的應(yīng)用歷經(jīng)坎坷。波音B757和波音B767中復(fù)合材料占總質(zhì)量的4%;波音B777和空客A340中復(fù)合材料的質(zhì)量分數(shù)上升到11%和14%;對于空客A380，復(fù)合材料的質(zhì)量分數(shù)為25%;對于代表當今世界民用飛機制造技術(shù)最高水平的波音B787和空客A350，復(fù)合材料的質(zhì)量分數(shù)高達50%和52%。

可以說，先進復(fù)合材料質(zhì)量占飛機結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的多少，在某種程度上已經(jīng)成為評價該飛機技術(shù)先進程度和市場競爭力的重要指標。從國外的情況來看，復(fù)合材料在大型民用飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為如下發(fā)展趨勢。

2.1 復(fù)合材料在大型民用飛機中所占質(zhì)量分數(shù)越來越大

以空中客車公司為例，復(fù)合材料占飛機結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分數(shù)從A310—300機型的5wt%，上升到A380的25wt%，再到A400M的35wt%，在A350飛機上這一質(zhì)量分數(shù)高達52wt%，第一次實現(xiàn)了復(fù)合材料的用量超過了金屬材料的用量，被稱為“塑料飛機”。

2.2 復(fù)合材料被大量應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料最初應(yīng)用于飛機的艙門、整流罩、安定面等次承力結(jié)構(gòu)，隨著材料性能的不斷提高，目前復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機身機翼等主承力結(jié)構(gòu)?？罩锌蛙嘇380的中央翼盒、翼肋、機身上蒙皮壁板、機身后段、機身尾段、地板梁、后承壓框、垂尾等大量主承力結(jié)構(gòu)都采用碳纖維復(fù)合材料。

2.3 由復(fù)合材料制造的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件越來越多

復(fù)合材料在復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用存在一定的挑戰(zhàn)性：（1）受制于制造變形的問題;（2）在鋪層設(shè)計方面也具有較大的難度。大量先進制造工藝的出現(xiàn)使得由復(fù)合材料制造的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件越來越多，如A380機身19段和球面后壓力框等具有復(fù)雜曲面的大尺寸受力部件，分別采用復(fù)合材料纖維自動鋪絲技術(shù)和樹脂膜滲透（RFI）工藝制造。

2.4 飛機結(jié)構(gòu)件的制造向整體成型和共固化方向發(fā)展

復(fù)合材料之所以在大型民用飛機中所占質(zhì)量分數(shù)不斷提高，甚至能夠取代金屬材料大量應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)件的制造，不僅僅是因為其輕質(zhì)高強的特點，更重要的是因為復(fù)合材料易于集成制造，從而可實現(xiàn)大型構(gòu)件的整體成型。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的共固化和整體成型技術(shù)能夠顯著減少零件和緊固件的數(shù)量，縮短生產(chǎn)周期，減少制造和裝配工時，大幅度降低生產(chǎn)成本。

結(jié)語

（1）波音和空客公司在波音787和空客A350上大量使用復(fù)合材料的事實表明，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不僅減輕了飛機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且改善了飛機的耐腐蝕性能和抗疲勞性能，降低了飛機的維護費用，大幅度提高了民用飛機的經(jīng)濟性、舒適性和環(huán)保性，成為現(xiàn)代大型客機先進性和市場競爭力的標志。

（2）經(jīng)過40多年的發(fā)展，國外民用飛機制造商已經(jīng)積累了大量的復(fù)合材料使用經(jīng)驗，解決了以往應(yīng)用中的瓶頸問題，新技術(shù)和新工藝的日益成熟以及自動化設(shè)備的廣泛采用大大降低了復(fù)合材料的生產(chǎn)成本和應(yīng)用風險。

（3）當今世界大型民用飛機已經(jīng)進入了復(fù)合材料時代，中國自主研制的大飛機也正積極應(yīng)對挑戰(zhàn)，在下一代國產(chǎn)大型民用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用必將有突破性的進展。

參考文獻

[1]邢麗英，蔣詩才，周正剛.先進樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)進展EJ].復(fù)合材料學報，2017，30（2）：1—9.