飛行器結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料制造技術(shù)與工藝?yán)碚撨M(jìn)展

唐博 許建政 李金柏 孫嘉明 孫野

摘要：復(fù)合框架結(jié)構(gòu)的制造生產(chǎn)工藝是復(fù)合應(yīng)用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)促成的關(guān)鍵。由于復(fù)合材料制造技術(shù)的特殊性和復(fù)雜性以及它具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它已成為結(jié)構(gòu)可靠性、產(chǎn)品質(zhì)量和成本控制的核心技術(shù)。近些年來，隨著先進(jìn)復(fù)合在航天航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，復(fù)合的制造技術(shù)設(shè)備及生產(chǎn)工藝方法論獲得了極大的發(fā)展。圍繞復(fù)合材料的平面結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)，本文介紹了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)的概念和技術(shù)研究進(jìn)展，幫助我國(guó)航空航天工業(yè)應(yīng)迅速提高自身的水平。

關(guān)鍵詞：格柵結(jié)構(gòu) 復(fù)合材料 航天 制造 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代社會(huì)飛機(jī)性能的不斷提高，復(fù)合材料的發(fā)展越來越受到重視。復(fù)合是應(yīng)由兩種或者兩種以上物理、物理性質(zhì)不同的建筑材料組分，以所設(shè)計(jì)的模式、比重、分布組合而成，各個(gè)組分間有顯著的用戶界面存有的一種新型材料。它們一般應(yīng)由基體建筑材料及加強(qiáng)建筑材料組成?？蛇M(jìn)行復(fù)合材料的設(shè)計(jì)，即通過原材料的選擇、各構(gòu)件設(shè)計(jì)的分配以及工藝條件的保證，使原有構(gòu)件材料的優(yōu)勢(shì)相輔相成，從而展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。

隨著玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等復(fù)合材料的發(fā)展，復(fù)合結(jié)構(gòu)的早期應(yīng)用預(yù)示著復(fù)合材料的輝煌應(yīng)用。尤其是在飛行器制造中在飛機(jī)翼尖、雷達(dá)防護(hù)罩和尾錐上使用少量玻璃纖維增強(qiáng)塑料，這標(biāo)志著復(fù)合材料在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的重新發(fā)明。從那時(shí)起，復(fù)合材料在飛機(jī)中應(yīng)用的比例越來越大。在過去的幾年里，先進(jìn)的復(fù)合材料技術(shù)已被應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)，如翼板和樓板梁。由于其比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕、易大面積整體成形、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，在飛行器制造中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1. 高級(jí)復(fù)合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的明顯特點(diǎn)是：網(wǎng)格骨架可以由連續(xù)的、短距離的纖維束（帶）組成，充分發(fā)揮了纖維的定向承載能力;網(wǎng)格骨架整體性好，能滿足結(jié)構(gòu)不同部位的設(shè)計(jì)要求。復(fù)合灰結(jié)構(gòu)是一個(gè)加強(qiáng)板或殼（圓柱形或錐形）的鰣魚（正方形，菱形，或三角形）與緊湊的鰣魚框架。由于網(wǎng)格間距小，網(wǎng)格框架看起來像網(wǎng)，所以又稱加筋網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。該材料為連續(xù)纖維與有機(jī)材料的復(fù)合材料。特別是局部缺陷靈敏度小，一般不發(fā)生層壓微裂紋是常見的，現(xiàn)在，每個(gè)等距剖面胞體都是一個(gè)靜定結(jié)構(gòu)幾何不變的靜不定結(jié)構(gòu)（方晶格、菱形晶格），即使局部失效，圖像周圍大的網(wǎng)格框架仍然沒有改變結(jié)果的幾何結(jié)構(gòu)，因此具有良好的抗槍傷能力由于它具有超輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度、高能量吸收等優(yōu)良機(jī)械性能， 及減震、散熱、吸聲、傳感器屏蔽等等特殊屬性，成為了一種炙手可熱的使用性能優(yōu)異的多功能性工程項(xiàng)目建筑材料框架結(jié)構(gòu).

2. 點(diǎn)陣夾層框架結(jié)構(gòu)。點(diǎn)陣夾芯框架結(jié)構(gòu)是近些年來隨著建筑材料制得生產(chǎn)工藝及成形加工技術(shù)設(shè)備的發(fā)展而是發(fā)生的一類新型多功能建筑材料框架結(jié)構(gòu)， 它由2塊面板和夾于面板之間的超靜定的點(diǎn)陣夾芯構(gòu)成， 由于它具有超輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度、高能量吸收等優(yōu)良機(jī)械性能， 及減震、散熱、吸聲、傳感器屏蔽等等特殊屬性，成為了一種炙手可熱的使用性能優(yōu)異的多功能性工程項(xiàng)目建筑材料框架結(jié)構(gòu)。如果可以用復(fù)合材料來制備晶格夾層結(jié)構(gòu)將會(huì)大大減輕結(jié)構(gòu)的重量，提高結(jié)構(gòu)的性能?，F(xiàn)階段，各種構(gòu)型的復(fù)合夾芯框架結(jié)構(gòu)在航天航空領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

3.聚合物基復(fù)合材料主要是樹脂基復(fù)合材料。摘要樹脂基復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和減重效果在現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的認(rèn)可。實(shí)踐表明，飛機(jī)部件通常采用樹脂復(fù)合材料制成

4.從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（MMC）和顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維主要包括金屬纖維和陶瓷纖維。利用碳纖維作為增強(qiáng)材料是近年來一個(gè)新的研究方向。MMCs問世至今已有40余年，因?yàn)榫邆涞偷谋扔捕?、比模量、耐高溫、耐磨損及熱膨脹系數(shù)少、構(gòu)件穩(wěn)定性難等等優(yōu)異的力學(xué)性能及性能，消除了樹脂基復(fù)合在宇航領(lǐng)域中選用時(shí)候存有的優(yōu)點(diǎn)，獲得了舉世矚目的發(fā)展，成為各國(guó)高技術(shù)研討開發(fā)的重要領(lǐng)域。用于航空軸承零件，重量比傳統(tǒng)復(fù)合材料輕;特別適用于高溫航空發(fā)動(dòng)機(jī)。樹脂基復(fù)合材料在航空航天工程中的發(fā)展趨勢(shì)體朝著高性能的方向發(fā)展，以追求高減重效率為目標(biāo)。并且先進(jìn)低成本制造技術(shù)的研究制約了復(fù)合材料的擴(kuò)展和應(yīng)用。

在飛行器制造技術(shù)方面

1. RH T工藝是一種樹脂膜浸漬和纖維預(yù)制樹脂浸漬工藝。成型工藝是將樹脂制備成樹脂膜或較厚的樹脂塊，放置于模具底部，其E層由縫線覆蓋或三維編織成纖維預(yù)制件。然后根據(jù)真空成型工藝要點(diǎn)，在熱環(huán)境中封裝腔體，采用真空技術(shù)從下至上抽吸樹脂。當(dāng)薄膜受熱時(shí)，黏度沿預(yù)制件下降或上升，填滿整個(gè)預(yù)制件空間，然后按固化工藝制備復(fù)合材料。

2：纖維纏繞形式屬于比較成熟的技術(shù)，其中纖維叢脂樹浸漬紡錘機(jī)械設(shè)備到外部整個(gè)過程都是采用織造和纏繞的方法，這種方法的廣泛應(yīng)用屬于復(fù)合材料的自動(dòng)化技術(shù)。其纏繞產(chǎn)品強(qiáng)度高、重量輕、隔熱性能強(qiáng)、耐腐蝕，實(shí)際工藝也很好，一般用于中空、圓形、橢圓形零件。

3.縫合技術(shù)：縫合技術(shù)主要是利用縫合機(jī)將纖維織物的不同部位充分連接起來，進(jìn)行多次固化，從而生產(chǎn)紡織材料。

4. 縱向強(qiáng)化技術(shù)可以生產(chǎn)出性能較好的三維增強(qiáng)復(fù)合材料。該技術(shù)是通過在固化前或固化期間將銷釘連接到層壓板上來制造材料?？v向強(qiáng)化提高了材料的強(qiáng)度和韌性，通常與拼接結(jié)合，使材料的抗斷裂性提高到下一個(gè)水平。

5. 三維異形整體織造：三維異形整體織造是一種比較完善的技術(shù)，可用于復(fù)合材料和纖維織物復(fù)合材料的制造。三維異形整體編織生產(chǎn)的產(chǎn)品高性能，滿足機(jī)械要求，具有較高的檔次，能有效解決常規(guī)的泄漏和連接問題。

綜上所述，航空復(fù)合材料零部件的制造技術(shù)水平將直接影響我國(guó)航天工業(yè)的發(fā)展。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)復(fù)合制造技術(shù)設(shè)備也存有一定的不足，因而，為了提升制造水平，要積極吸收國(guó)外精華，不斷創(chuàng)新，放眼世界，加強(qiáng)技術(shù)研究，進(jìn)一步提升航空產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，使我國(guó)航空復(fù)合材料制造水平邁向一個(gè)新的臺(tái)階。

相關(guān)文獻(xiàn)

[1]徐元銘，黃英蘭，萬青. 先進(jìn)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)制造工藝技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 飛機(jī)設(shè)計(jì)，2007，27（6）：33-37，55. DOI：10.3969/j.issn.1673-4599.2007.06.008.

[2]薛佳正. 飛行器結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料制造技術(shù)與工藝?yán)碚撨M(jìn)展[J]. 工業(yè)A，2016，0（1）：249.