民用飛機復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量檢驗方法

寧莉

摘? 要：自碳纖維作為增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)被研發(fā)出來，復(fù)合材料就迅速推廣并應(yīng)用到了眾多的行業(yè)，其中在飛機制造行業(yè)中，用復(fù)合材料做機身的制作材料已經(jīng)受到了越來越多人的青睞。本文將從解釋何為復(fù)合材料、民用飛機復(fù)合材料選擇的準則，以及民用飛機復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量檢測方法進行論述，旨在為提升民用飛機復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：民用飛機? 復(fù)合材料? 產(chǎn)品質(zhì)量? 驗證

中圖分類號：V25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（a）-0087-03

Civil Aircraft Composite Product Quality Inspection Method

NING Li

（AVIC Xian Aircraft Industry（Group）Co.， Ltd.， Xian，Shaanxi Province，710089 China）

Abstract： Since carbon fiber was developed as a reinforced composite material structure， composite materials have been rapidly promoted and applied to many industries. Among them， in the aircraft manufacturing industry， the use of composite materials as fuselage materials has been favored by more and more people. This article will explain what is a composite material， the criteria for the selection of composite materials for civil aircraft， and the quality inspection methods of composite materials for civil aircraft. It aims to provide references for improving the quality of composite materials for civil aircraft.

Key Words： Civil aircraft; Composite materials; Product quality;Verification

目前，在大型民用飛機A350的機翼上使用復(fù)合材料證明了我國在復(fù)合材料的理論研究與實踐方面取得了一定的成果，但是我國仍然缺乏對民用飛機復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量檢驗方法的研究，本文在適航與行業(yè)規(guī)范要求的基礎(chǔ)之上，對民用飛機復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量檢驗方法進行分析與論述。

1? 緒論

1.1 復(fù)合材料的概述

復(fù)合材料是指將擁有不同物理和化學(xué)性質(zhì)的多種物質(zhì)組合，進而得到一種帶有組成該種復(fù)合材料的單一材料的所有優(yōu)點的多相固體類別材料。復(fù)合材料是由基體和復(fù)合體構(gòu)成的，其中在復(fù)合材料中起到增強體作用的被稱為承受載荷的相，而基體是連接各個增強體，傳遞載荷的相。產(chǎn)品的制造程序十分繁瑣，流程較多，還包括比如重金屬融合和機電裝配等很多生產(chǎn)技術(shù)。目前，我國涉及民用飛機復(fù)合材料的工廠采取的多為“設(shè)計——生產(chǎn)”一條龍的模式。這種方式對于技術(shù)的要求十分高，而且對技術(shù)人員的技術(shù)要求也十分高，這個度很難準確把握。

一般來說，產(chǎn)品質(zhì)量檢驗是在產(chǎn)品生產(chǎn)的主要步驟完工之后才進行的，少數(shù)情況是在復(fù)合材料的出廠之前。質(zhì)量檢驗通過仔細地對產(chǎn)品的品質(zhì)以及是否符合技術(shù)標準，檢驗每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品是否能夠達到有關(guān)標準。通過這種篩選機制，讓符合標準的產(chǎn)品才能進入到下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)中去，一旦產(chǎn)品在中間的某一環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)了問題，就要對有問題的產(chǎn)品及時地作出正確的處理。由此可見，產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中起到了關(guān)鍵的作用，對于產(chǎn)品的質(zhì)量把控有著重要的意義。綜上所述，質(zhì)量檢驗在民用飛機復(fù)合材料的制造流程中與產(chǎn)品品質(zhì)的控制有著緊密的關(guān)系。

1.2 復(fù)合材料性能和制造工藝的特點

先進的復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的材料獨立物聯(lián)合在一起的，構(gòu)成的新型材料，其中的樹脂基體分散相稱為纖維增強體，兩相彼此之間具有明顯的界限，可以保持原材料的突出特點，在復(fù)合材料效應(yīng)獲得的過程中材料的性能補充，彼此聯(lián)系，確保復(fù)合材料可以獲得優(yōu)異的性能。

復(fù)合材料在制成中層合板時，剛度和強度可以在設(shè)計制造的過程中根據(jù)需求開展，設(shè)計師設(shè)計每層纖維的取向獲得層合板的剛度以及強度，對層間強度控制樹脂基體和界面強度，在垂直層合板之間設(shè)定載荷。先進復(fù)合材料的制造一般是采用模具熱壓固化成型的方式進行，對其中運用的制造工藝控制精度有較高的要求，復(fù)合材料對材料層中的結(jié)構(gòu)進行纖維取向和鋪層形式的設(shè)計，通常使用浸漬基體樹脂的增強纖維逐層進行鋪層設(shè)計，逐層鋪貼在模具上，組裝后再進行熱壓固化形成最終的材料形狀，在基體樹脂的模具內(nèi)引導(dǎo)材料制造的化學(xué)反應(yīng)，讓結(jié)構(gòu)件成型和材料的形成同時完成。共固化、二次膠接、預(yù)成形件/RTM等工藝技術(shù)形成整體的材料模塊，在運用復(fù)合材料制造民用飛機大型構(gòu)件，明顯減少機械加工以及裝配的工作量，提高材料的制作精度以及裝配的費用，改善民用飛機構(gòu)件的質(zhì)量以及使用性能。復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)件熱壓固化成型的過程中要減少先進復(fù)合材料的熱壓固化的方式，將結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)制造幾種工藝密切結(jié)合在一起，有效控制先進的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力以及熱變形，同時形成材料的結(jié)構(gòu)特點，并嚴格控制材料構(gòu)件的監(jiān)控，建立材料配套的缺陷，對材料的損傷情況進行檢測，嚴格按照材料的質(zhì)量控制標準進行檢驗。

聚合物基復(fù)合材料進行材料制造的質(zhì)量控制以及質(zhì)量監(jiān)督，纖維和樹脂固化體系的成分和性能的波動要對其進行監(jiān)督，除了對常規(guī)地進行纖維性能的檢驗，還要控制監(jiān)督纖維的表面狀態(tài)，研究纖維表面的狀態(tài)，檢測復(fù)合材料的質(zhì)量生產(chǎn)水平。

對于復(fù)合材料所用的樹脂以及樹脂固化體系的質(zhì)量進行控制的時候，除了傳統(tǒng)的比重測定、粘度、軟化點、水分、揮發(fā)物、凝膠溫度、環(huán)氧當(dāng)量、游離酚等數(shù)據(jù)指標也要嚴格監(jiān)督?；净瘜W(xué)性質(zhì)指標的監(jiān)督之外，還要控制不同類型的環(huán)氧樹脂和環(huán)氧當(dāng)量，對復(fù)合材料的化學(xué)成分和化學(xué)特征進行材料標準的控制以及監(jiān)督。浸料中含有固定的固化樹脂需要使用固化劑和催化劑，在存放的過程中自行固化，失去粘著性，因此要在復(fù)合材料設(shè)計以及制造的過程中對預(yù)浸料進行質(zhì)量控制，檢驗材料自行固化和吸濕情況，將復(fù)合材料的化學(xué)成分以及化學(xué)特征列入材料質(zhì)量標準的檢測質(zhì)之中，常用的質(zhì)量檢測的方法包括凝膠滲透色譜法、高壓液體色譜法、紅外光譜法、原子吸收光譜法、元素分析法、核磁共振法等等。

對復(fù)合材料的制作工藝過程進行監(jiān)督，要做好工藝設(shè)施和工裝控制，在控制工序參考各類的工藝參數(shù)對工序進行檢查，對不同的性質(zhì)進行控制，對工藝參數(shù)上不合格的工序進行控制，隨時檢查半成品或者進行隨爐試件，在隨爐試件中檢查質(zhì)量標準，提高檢驗方法的可靠性。預(yù)浸料的制造對樹脂含量和揮發(fā)分含量可以與纖維體積含量呈現(xiàn)正比的關(guān)系，如果樹脂的含量成分較低，將會影響復(fù)合材料的層間剪切強度以及纖維方向的壓縮強度，之后對于浸膠膠液的濃度、粘度以及溫度、濕度的控制，質(zhì)量要素之間互相控制，運用自動控制的裝置進行質(zhì)量的自動條件，達到成型工藝運用以及安裝的控制。

在材料制造的過程中成型工藝包括鋪層以及固化，鋪層的過程中注意預(yù)浸料的纖維方向、拼接方法以及鋪層次序和層數(shù)，機器的鋪設(shè)動作降低人為失誤的影響。固化的過程中樹脂和纖維復(fù)合在一起，將低分子物轉(zhuǎn)化為高分子物，與纖維粘合在一起，固化的過程加強了化學(xué)反應(yīng)，同時還伴隨著物理變化。固化的控制過程要控制溫度升高的速度，合理確定真空機的停止時機，進而對固化中的時間以及壓強進行合理配置。基于對成型過程的監(jiān)控，有效控制和提升復(fù)合材料的制作質(zhì)量。

2? 民用飛機復(fù)合材料選擇的準則

在我國CAAC和FAA等頒布的適航制度以及相應(yīng)的咨詢報告中，都明確對民用飛機的復(fù)合材料架構(gòu)的材料以及制作質(zhì)量提出了嚴格的要求。舉個例子來說，在FAR，25.603（a）中就明文規(guī)定了要在實驗的基礎(chǔ)之上對組成部件的匹配性以及耐用性進行查驗，以保證其安全性。因此，在民用飛機復(fù)合材料的選擇中應(yīng)當(dāng)遵循以下幾項準則。

2.1 安全性準則

復(fù)合材料的選擇首先應(yīng)該考慮的準則就是安全。對工序程序的檢驗、無損檢驗以及損壞性實驗是檢驗復(fù)合材料的重要組成部分。經(jīng)調(diào)查研究，復(fù)合材料的抗腐蝕能力和耐磨程度比鋁合金材料高。眾所周知，復(fù)合材料的安全性與其制作工藝成正相關(guān)，在美國，復(fù)合材料的使用頻率較高，其材料制作技術(shù)的熟練程度由高到低分為10個等級，舉例來說，A321飛機的復(fù)合材料在20世紀90年代使用比例僅僅為20%，但是現(xiàn)在A380飛機使用復(fù)合材料的比例已經(jīng)為49%。

2.2 經(jīng)濟性準則

一架飛機的成本不僅僅包括收購飛機的價格，還包括飛機的燒油率、使用年限以及維修費用等眾多因素構(gòu)成?？湛虯380之所以被國內(nèi)外很多航空公司選所青睞，是因為，盡管鋁合金較復(fù)合材料更便宜，但是復(fù)合材料制成的飛機的結(jié)構(gòu)重量更輕，這樣一來飛機的燃油量就會減少，很大程度上彌補了其高昂的購買價格所帶來的不利因素。

2.3 舒適性準則

一架A350飛機總重量的52%都是由一項名為超寬體A350xWB的復(fù)合材料所構(gòu)成的，所以A350的客艙相較其他同樣重量的客機而言更加寬闊。這樣一來，寬敞的客艙不僅可以為乘機客戶提供更加舒適的乘機環(huán)境，還可以為飛行機組和機上的乘務(wù)人員提供更加舒適的休息艙。使用復(fù)合材料的民用飛機相較其他客機在舒適程度上來講，將會具有更大的、無可比擬的優(yōu)勢。

2.4 綠色性準則

在A380飛機第一次出現(xiàn)在大眾視野之前，就獲得了眾多國家的追捧，獲得了數(shù)百家的訂單，也收獲了數(shù)千億美元的訂單額，這樣熱烈的市場響應(yīng)和龐大的銷售量表明了使用復(fù)合材料的民用飛機有著更加良好的機身構(gòu)造和發(fā)動機，它的耗油量也相對較少，更加的綠色環(huán)保，是現(xiàn)階段的民用飛機中燃油量最少的，這不僅要歸功于A380的發(fā)動機和飛機身體的制作材料，更重要的是其中復(fù)合材料在降低燃油量方面也發(fā)揮了不可替代的重要作用。

3? 質(zhì)量檢驗方法在民用飛機復(fù)合材料中的重要作用

3.1 質(zhì)量檢測在民用飛機復(fù)合材料的設(shè)計階段中的作用

設(shè)計是民用飛機復(fù)合材料制造中的一個重要環(huán)節(jié)。質(zhì)量檢驗是指對產(chǎn)品設(shè)計進行查驗，并不斷健全管理制度的過程。質(zhì)量檢測在產(chǎn)品的設(shè)計階段起著重要的作用：第一，質(zhì)量檢測可以明確各個部門的工作方式、每一名工作人員的工作責(zé)任。第二，質(zhì)量檢測可以從民用飛機復(fù)合材料的角度出發(fā)，制定出關(guān)于產(chǎn)品生產(chǎn)的風(fēng)險和設(shè)計標準等方面的具體要求。第三，質(zhì)量檢測先通過對產(chǎn)品的設(shè)計方案進行風(fēng)險預(yù)測，從而對相關(guān)民用飛機復(fù)合材料的未來市場進行預(yù)估，量化結(jié)果，并以此為基礎(chǔ)，進行分析，形成更加專業(yè)的分析成果，從而保證后續(xù)試驗報告中的數(shù)據(jù)精準、無誤。第四，產(chǎn)品設(shè)計檢測報告要在國家規(guī)定的檢測機構(gòu)中進行，以保證產(chǎn)品設(shè)計不僅能夠滿足市場需求，還要符合我國的相關(guān)政策與標準。

3.2 質(zhì)量檢測在購買產(chǎn)品原材料階段中的作用

購買產(chǎn)品的原材料是民用飛機的復(fù)合材料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必不可少的。購買的原材料不僅局限于標準件，還包括很多以技術(shù)協(xié)議為標準的外協(xié)借工產(chǎn)品的零部件。所以，質(zhì)量檢測在購買的原材料的質(zhì)量方面是起著“過濾網(wǎng)”的作用。它通過嚴格的標準和審批流程，能夠有效保證產(chǎn)品原材料的質(zhì)量，對供應(yīng)商進行有效篩選，并擇優(yōu)選擇最佳的供應(yīng)商，達到雙贏。

3.3 質(zhì)量檢測在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的作用

在產(chǎn)品生產(chǎn)中，如果想有效避免生產(chǎn)資源的過度浪費和生產(chǎn)效率過低，增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，那么就要將產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和檢測過程有機地結(jié)合起來。就民用飛機的復(fù)合材料生產(chǎn)過程而言，需要投入很多的時間和金錢，這樣不僅會造成時間損失還會造成嚴重的經(jīng)濟上的損失。所以，通過質(zhì)量檢測能夠有效地對設(shè)計產(chǎn)品的制作流程進行科學(xué)合理的調(diào)整和高效的管理。通過隨時隨地對產(chǎn)品生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)進行數(shù)據(jù)提取、收集、分析，從而更加及時地核對生產(chǎn)參數(shù)，對產(chǎn)品生產(chǎn)中出現(xiàn)的誤差進行調(diào)整，把控產(chǎn)品質(zhì)量。例如，對選取的飛機壁板試片進行查驗時，我們除了可以利用顯微拍照的方式，還需要根據(jù)壁板的主要失敗模式規(guī)劃進行力學(xué)實驗，并將實驗結(jié)果同測試的標準規(guī)定進行比對。

4? 結(jié)語

隨著我國社會科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型復(fù)合材料在民用飛機制造業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段我國的民航事業(yè)仍處于起步的階段，相信在未來，復(fù)合材料會扮演更加重要的角色，成為我國航空發(fā)展的重要一環(huán)。探索民用飛機復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量的驗證方法，無論是對于提升復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量還是對于在國內(nèi)推廣民用飛機復(fù)合材料的主承力結(jié)構(gòu)質(zhì)量保證和適航認證都具有極其重要的意義。

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