復材加工在航空航天領域的應用案例分析

關鍵詞：復合材料加工技術；航空航天；案例分析

引言

隨著航空航天技術的迅速發(fā)展，對飛行器結構材料的性能要求越來越高。復合材料因其重量輕、強度高和耐高溫等優(yōu)異特性，已成為航空航天領域的關鍵材料。然而，復合材料的加工技術復雜，涉及多種工藝和技術要求，直接影響其在航空航天結構件中的應用效果。因此，研究復合材料加工技術及其在航空航天中的具體應用具有重要的現實意義。

1．復合材料加工技術概述

復合材料的主要類型及特性

借助復合材料獨特的性能優(yōu)勢，航空航天領域展現了廣泛應用。包括碳纖維增強樹脂基復合材料、玻璃纖維增強復合材料以及芳綸纖維增強復合材料在內的共同組成部分都處于日常之中。而對這些常見物體分別進行詳解，則可以發(fā)現其各有千秋。高強度、低密度和優(yōu)異耐疲勞性讓碳纖維復合材料在航空航天結構件中使用最為頻繁。良好的耐腐蝕性與相對低廉價格使得玻璃纖維復合材料更適于次要結構件和非承載部件。抗沖擊性能出色、抵御穿透力恰到好處的芳綸纖維增強復合材料則常用來制造防護型結構板塊。同時值得一提的是，設計靈活且功能集成缺一不可正是由具備這樣特色的眾多種類給予贈與。通過優(yōu)化設計完善需求，依稀滿足諸多航空航天設備使用條件。因此，力學性能卓越、熱學性能優(yōu)異的復合材料目前在現代航空航天領域已經變得愈來愈重要，無法替代。

航空航天領域常用的復合材料加工工藝

航空航天領域對復合材料的加工工藝要求尤為嚴格，直接關聯(lián)至最終結構件性能和質量。復合材料優(yōu)秀的加工方法，手糊成型、自動鋪絲、自動鋪帶、模壓成型以及樹脂傳遞模塑（RTM）等備受青睞。小批量生產或需制作復雜形狀結構件時，較高靈活性使得手糊成型技術極具吸引力，但其效率偏低。想要快速提升生產進度和制品質量，則需要借助近年迅速發(fā)展的先進技術：計算機控制下的自動鋪絲和自動鋪帶，精準鋪設纖維尤其適用于大尺寸、復雜曲面結構件制造。而模壓成型則依靠高溫高壓環(huán)境下來實現具有難度較大和物理性能強硬度部分者，結果通常十分滿意。通過將樹脂注入預先布置好的纖維預制品中，并經由模具之困于折服后呈現出穩(wěn)定固態(tài)，這就是被稱為“RTM"的工藝技術，是實現復合材料高精度制品的有效方法。

加工工藝的技術要求與挑戰(zhàn)

復合材料加工工藝對技術的要求十分嚴格，尤其在航空航天領域，對制件的質量控制、加工精度以及生產效率都有著高標準。在自動鋪絲工藝中，纖維鋪設的精度和一致性直接影響結構件的力學性能。研究表明，鋪絲角度誤差超過±2°時，復合材料的強度將顯著降低，因此在實際加工中必須對鋪絲角度進行精確控制。模壓成型工藝中的溫度和壓力控制也是影響產品質量的關鍵因素。通常，模壓成型溫度需控制在150℃至180℃之間，壓力控制在4兆帕至8兆帕之間，以確保復合材料的致密度和機械性能符合要求。對于樹脂傳遞模塑工藝，樹脂的黏度和注入速度對成型質量有顯著影響。若樹脂黏度過高或注入速度過快，容易產生氣泡和空隙，從而影響復合材料的整體強度。不同加工工藝的關鍵技術參數和其影響因素，如表1所示。

2．應用案例分析：復材加工技術在航空航天結構件中的應用

飛機機翼的復合材料加工技術

飛機機翼作為飛行器對材料的要求極為嚴格。復合材料的高強度和低密度特性使其成為現代飛機機翼制造的理想材料。飛機機翼的復合材料加工技術主要包括自動鋪絲和自動鋪帶工藝，這些工藝能夠精確控制纖維的鋪設方向和層數，以確保機翼具有良好的抗疲勞性能和結構剛度。在實際加工過程中，鋪絲工藝通過計算機控制的鋪絲機，按照設計要求逐層鋪設碳纖維，確保每一層的鋪設角度和厚度達到最優(yōu)狀態(tài)。

航天器耐高溫結構件的復材加工

航天器在太空環(huán)境中需承受極端的溫度變化，因此耐高溫結構件的材料選擇至關重要。復合材料因其卓越的耐高溫性能和較輕的質量，廣泛應用于航天器的耐高溫部件制造中。這些結構件的復合材料加工技術通常采用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝，利用該工藝能夠在復雜形狀和大尺寸結構件的制造中實現高精度成型。RTM工藝中，纖維預制件在模具中經過加壓和樹脂滲透固化形成最終的結構件，這一過程需要嚴格控制樹脂的黏度和注入速度，以避免在高溫環(huán)境下產生裂紋或其他缺陷。

3．復材加工技術在航空航天領域的未來發(fā)展趨勢

新型復合材料的研發(fā)與應用前景

航空航天技術的不斷進步．對材料的性能需求日益苛刻，新型復合材料的研發(fā)成為推動行業(yè)發(fā)展的重中之重。在材料科學領域，納米復合材料、智能復合材料以及功能化復合材料的研發(fā)已經成為熱點。納米復合材料通過在基體中添加納米顆?；蚶w維，顯著提升了材料的機械性能和耐熱性能，特別是在極端環(huán)境下表現出卓越的穩(wěn)定性和耐久性。智能復合材料則能夠在特定條件下發(fā)生形狀記憶、自動修復或響應外界刺激，適用于航空航天器的自適應結構和健康監(jiān)測系統(tǒng)。功能化復合材料則通過在基體中摻入功能性成分，實現材料的多功能集成，如導電、導熱、抗輻射等特性，滿足不同任務需求。

行業(yè)技術標準與質量評估方法的發(fā)展

隨著復合材料在航空航天領域的廣泛應用，行業(yè)對技術標準和質量評估方法的需求日益增長。為了確保復合材料結構件的質量和性能，國際航空航天行業(yè)逐步建立了一系列嚴格的標準和規(guī)范。這些標準不僅涵蓋了材料的性能指標，還涉及加工工藝、產品測試、質量控制等各個環(huán)節(jié)。經過標準化的質量評估方法，行業(yè)能夠更有效地控制生產質量，提升產品的可靠性和安全性。具體評估指標和方法如表2所示。