低成本復(fù)材在航空業(yè)的應(yīng)用

廖子龍

航空材料的進(jìn)步是推動(dòng)飛機(jī)發(fā)展的重要因素。自20世紀(jì)70年代以來，高性能碳纖維及其復(fù)合材料由于具有密度低、比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高性能化與結(jié)構(gòu)功能的一體化，在航空領(lǐng)域的應(yīng)用比例顯著增加，成為最主要的航空航天結(jié)構(gòu)材料之一。

性能優(yōu)勢VS成本控制

現(xiàn)有的復(fù)合材料成型技術(shù)主要源于航空航天工業(yè)對(duì)高性能結(jié)構(gòu)材料的追求。但是，復(fù)合材料成型周期長，設(shè)備投資大，帶來了成本高的問題。因此，復(fù)合材料能否有更大的競爭力，需要平衡其性能優(yōu)勢和成本控制兩方面的因素。

20世紀(jì)80年代以來，復(fù)合材料在航空業(yè)的應(yīng)用經(jīng)歷了從次承力結(jié)構(gòu)件到主承力結(jié)構(gòu)件的過渡，但成本高影響了其應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)大。不過，多年的研究表明，在復(fù)合材料的成本中，實(shí)際上由原材料構(gòu)成的成本占比并不高，高的主要是復(fù)合材料零件制造過程中的成本。

因此，國外提出了復(fù)合材料高效結(jié)構(gòu)與低成本復(fù)合材料的概念，多個(gè)國家的相關(guān)部門提出了試驗(yàn)和驗(yàn)證計(jì)劃。其中，CAI計(jì)劃，即買得起的復(fù)合材料計(jì)劃，從設(shè)計(jì)、原材料、制造工藝和自動(dòng)化技術(shù)等環(huán)節(jié)驗(yàn)證復(fù)合材料的低成本技術(shù)，以期擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用。

低成本復(fù)合材料制造工藝，是一種擺脫傳統(tǒng)工藝對(duì)熱壓罐等大設(shè)備投資的依賴，而出現(xiàn)的非熱壓罐的復(fù)合材料成型（固化）工藝。

復(fù)合材料的非熱壓罐成型工藝，即通常所說的液體成型（LCM）工藝，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，但在性能上，與預(yù)浸料熱壓成型的復(fù)合材料相比，仍有一定的差距。

為了讓復(fù)合材料在非熱壓罐固化條件下獲得更高的性能，一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)適用樹脂體系。在這方面，先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)公司（ACG）開發(fā)了LTM10系列、LTM20系列、LTM30系列、LTM40系列、LTM100系列材料。這些材料的固化溫度在50℃～80℃，具有良好的工藝性能和力學(xué)性能，且成型性良好，在制造低成本復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)貢獻(xiàn)頗大。

國外的低成本工藝

LCM技術(shù)通過采用干態(tài)纖維與液態(tài)樹脂結(jié)合的工藝實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化，并通過整體結(jié)構(gòu)的減重降低制造成本。LCM技術(shù)主要包括以RTM、VARI、RFI等為代表的復(fù)合材料成型工藝技術(shù)。同時(shí)，非熱壓罐成型技術(shù)推動(dòng)了復(fù)合材料中間體增強(qiáng)材料在另一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，拓展了包括NCF、縫合、三維編織預(yù)成型體。

RTM成型的工藝比較適合制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，能保持較高結(jié)構(gòu)效率，可以在三維的結(jié)構(gòu)下，保持纖維的連續(xù)性。在此基礎(chǔ)上，業(yè)界又開發(fā)了第二種液體成型工藝，主要是在單方向上通過樹脂的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的浸漬，成型復(fù)合材料構(gòu)件。這種工藝需要制備纖維預(yù)成型體，結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化效率也比較高。

第三種工藝是采用傳統(tǒng)的預(yù)浸料，但在真空下成型。這種工藝采用烘箱或模具來加熱，可以不用熱壓罐等比較昂貴的加工設(shè)備。

國外在復(fù)合材料非熱壓罐成型技術(shù)方面已經(jīng)比較成熟。有資料介紹，某飛機(jī)型號(hào)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的45%采用了RTM工藝。隨著該技術(shù)的逐漸成熟，整體復(fù)合材料零部件的裝配成本包括鋪層成本等被顯著降低。

在這種工藝的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)，得以盡量減少飛機(jī)制造或者是裝配中的工裝以及重復(fù)裝配的成本。因此，采用液態(tài)成型的復(fù)合材料制造零部件，其數(shù)量能夠顯著減少，不但獲得了直接的減重效益，也提高了制造效率。

在工藝改進(jìn)之后，還必須開發(fā)配套的材料，即必須開發(fā)適用于非熱壓罐成型工藝的材料體系，使最終產(chǎn)品可達(dá)到熱壓罐成型產(chǎn)品的性能水平。

在這方面，先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)公司推出的適用于真空成型的預(yù)浸料，已經(jīng)在飛機(jī)尾翼部分的模擬試驗(yàn)件上進(jìn)行了驗(yàn)證。科研人員對(duì)驗(yàn)證得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的熱壓罐成型產(chǎn)品相比，真空成型技術(shù)制成的產(chǎn)品，在受沖擊后的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都基本上能達(dá)到與熱壓罐成型產(chǎn)品相當(dāng)?shù)男阅芩健?/p>

同樣，在真空輔助樹脂滲透成型技術(shù)（VARI）方面，科研人員也在飛機(jī)的機(jī)翼活動(dòng)面上進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)也開發(fā)了不同樹脂的技術(shù)體系，包括中溫、高溫的固化配套的材料技術(shù)體系。

自動(dòng)鋪放纖維+液態(tài)樹脂成型的結(jié)合，是目前復(fù)合材料自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，俄羅斯對(duì)民機(jī)大型復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，據(jù)介紹，成本僅為傳統(tǒng)的熱壓罐成型工藝的30%，具有顯著的成本優(yōu)勢。整體來看，目前非熱壓罐真空成型技術(shù)已經(jīng)在通用飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)和大型客機(jī)的次承力結(jié)構(gòu)上得到了應(yīng)用。

國內(nèi)的開發(fā)與應(yīng)用

經(jīng)過多年研發(fā)和應(yīng)用驗(yàn)證，中國的液體成型樹脂/纖維預(yù)成型體和纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)成熟度也得到了顯著提高，并獲得了應(yīng)用。中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司是國內(nèi)研制航空用復(fù)合材料的重點(diǎn)企業(yè)，在復(fù)合材料制造工藝方面研發(fā)了相應(yīng)的RTM樹脂，包括中溫、高溫環(huán)氧樹脂體系和雙馬樹脂體系，也開發(fā)了應(yīng)用于VARI技術(shù)和真空成型技術(shù)的樹脂體系。

在應(yīng)用方面，中航復(fù)材結(jié)合液體成型技術(shù)在纖維預(yù)成型體的制備包括縫合等技術(shù)方面，在工程型號(hào)上進(jìn)行了考核驗(yàn)證。同時(shí)結(jié)合液體成型樹脂動(dòng)態(tài)性能，研究樹脂流動(dòng)的數(shù)字模擬技術(shù)，及模具設(shè)計(jì)加工技術(shù)，建立了樹脂在液體成型中流動(dòng)的數(shù)字模擬平臺(tái)，為優(yōu)化液體成型樹脂流動(dòng)控制和保證復(fù)合材料質(zhì)量一致性提供了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，液體成型材料和制造工藝也在型號(hào)上獲得了考核驗(yàn)證，包括復(fù)合材料波紋梁、升降舵等。

在自動(dòng)化鋪放工藝方面，中航復(fù)材在包括材料樹脂體系、預(yù)浸帶和預(yù)浸絲束工藝制造等方面開展了一系列工作，掌握了鋪帶和鋪絲制造加工工藝的技術(shù)，在大型機(jī)身壁板上開展了自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)鋪絲工藝復(fù)合材料制造工藝驗(yàn)證。

自動(dòng)化量產(chǎn)技術(shù)與裝備是復(fù)合材料制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在美國《復(fù)合材料世界》雜志2018年年會(huì)上，勢必銳航空系統(tǒng)公司技術(shù)總監(jiān)Pierre Harter表示，他們正在評(píng)估將應(yīng)用在下一代飛機(jī)上的材料和技術(shù)，以滿足航空航天供應(yīng)商在制造效率和產(chǎn)量方面的需要?？梢钥隙?，下一代飛機(jī)的制造成本必然比我們過去看到的低。

總而言之，研發(fā)快速成型技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)與裝備已成為低成本復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。筆者相信，從航空業(yè)對(duì)復(fù)合材料高效結(jié)構(gòu)與降低制造成本的需求出發(fā)，會(huì)有許多新的技術(shù)源源不斷地出現(xiàn)。