航空復合材料制造技術及發展趨勢探討

陳麗鳳

（上海飛機制造有限公司復材膠接車間，上海200120）

航空復合材料制造技術及發展趨勢探討

陳麗鳳

（上海飛機制造有限公司復材膠接車間，上海200120）

隨著航空技術、智能化、無人機等高新技術的發展，復合材料的制造技術正在不斷地突破。本文將從復合材料在航空領域使用的重要作用入手，對航空復合材料的技術現狀進行介紹，然后對其發展趨勢和方向進行分析概述。

復合材料；航空制造；工藝技術；發展趨勢

早在20世紀60年代，復合材料就已應用于航空領域，隨著近幾年航天科技的飛速發展，飛行器也不斷朝著高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向突破，航空復合材料的制造技術以及材料性能也在不斷提高。先進復合材料已經成為航空航天四大材料之一。飛機的大部分都是采用復合材料，可見復合材料對航空工業的重要性。正所謂“一代材料，一代飛機”，材料的水平直接決定著航空、航天領域的發展。我國目前在復合材料的技術方面還不太成熟，加強對航空復合材料制造技術研究有重要意義。本文對復合材料零件成形技術和預形件制造技術的發展做簡要概述。

1 零件成形技術

所謂零件成形技術是在滿足零件外形的情況下，不損傷纖維并確保它們合理地分布在基體中而不產生重大空隙的工藝方法，該技術常應用于航空航天彎管類零件和鈑金零件等各種零件的加工。復合材料成形工藝特點主要取決于復合材料基體，基體材料本身的成形方法也往往適用于以該材料為基體的復合材料。目前來看，零件成形技術主要有RTM、RFI、纖絲纏繞、自動鋪帶、鋪絲等技術。

（1）RTM成形技術

RTM是指樹脂轉移模塑成形技術，由于環保、成本低、質量好，且能形成雙面大型的整體件，達到節約裝配工作等優點，因而其在強度主承力結構件的制造方面運用非常廣泛，如：艙門、檢查口蓋等。在大型RTM件也有應用，如在F-35上垂尾上的應用。就發展趨勢來說，要對孔隙大、纖維含量低、樹脂分布不勻浸漬等各種問題進行解決[1]。在今后的技術研發中，充填過程模擬技術、熱傳遞和固化反應研究、注射方法研究、RTM設備研究等幾個方面是關鍵。

（2）RFI工藝技術

RFI工藝技術又稱為樹脂浸漬技術，該技術是樹脂膜熔滲和纖維預制體相融合形成的一種低成本復合材料成形技術，其采用傳統的真空袋壓成形方法進行工藝生產，現在主用于飛機雷達天線罩等大平面或不太復雜的曲面構件的生產。RFI工藝的優點是可以使用熟知的預浸料樹脂體系，其成形的復合材料性能與預浸料成形復合材料的性能相同。RFI工藝使用樹脂膜，制造脂膜的成本約為純樹脂成本的兩倍，成本較高。此外，這種樹脂膜在沒有載體的情況下操作不便，如膠黏劑膜。RFI技術在真空袋系統進行固化時對溫度要求較高，因此對核心材料及工裝的高溫承受要求比較高，在之后的發展研究中，RFI更多的要從三維編織及縫合、樹脂流動模擬及控制等方面入手進行研究開發。

（3）纖維纏繞技術

纖維纏繞是一項非常成熟的技術，是通過把纖維束進過浸漬后通過纖維進給裝置纏繞到芯軸上，主要是采用了編織帶纏繞技術，該技術是應用最為廣泛的復合材料自動化成型技術。纏繞成形制品具有強度高、質量輕、隔熱耐腐蝕性能和良好的工藝性，主要用于空心、圓形及橢圓零件。在以后的發展中，纖維纏繞技術在克服了成本高、自動化程度低的缺點后，應用范圍顯著擴大。

（4）自動鋪帶和自動鋪絲技術

自動鋪帶技術是國外應用最廣泛的復合材料制造技術之一，是通過數控技術完成，采用有隔離襯紙的單向預浸帶，剪裁、定位、鋪疊、輥壓等自動化生產。自動鋪絲技術相對自動鋪帶技術更加精細，能完成更為復雜的結構，且材料消耗率更低。它兼顧了自動鋪疊與纖維纏繞的優點。目前，多鋪放頭鋪帶機、針對特定構件的專用化鋪帶機、超聲切割復合化是自動鋪帶和鋪絲技術的發展放心，包括系統優化、快速檢測等。自動化鋪絲和鋪帶運用比較廣，大多用于機身段和尾翼等。

2 預形件制造技術

在復合材料制造中，采用預形件制造技術，主要是增強二維復合材料疊層結構在厚度方向的強度，預形件制造技術多用于層板連接、縫合等，目前，這方面的制造技術大多有縫合、縱向加強、三維異形整體機織、編織、針織、經編等6種技術[2]。

（1）縫合技術：縫合技術是針對纖維織物，通過纖維和縫合機將不同的部分連接到一起，再進行復合固化，最終形成紡織類的復合材料。這類材料大多用于蒙皮復合材料預形件，有著強度高、可變性大、抗剪切能力強、韌性好、抗疲勞、重量輕、成本低等優勢。目前所采用的縫合技術大多是美國開發的。對我國來說，縫合技術之后的發展方向主要在于產品的厚度、連接強度方面。

（2）縱向加強技術：縱向加強技術是在連接固化前或固化過程中用銷棒插入到層板中使其更近一步連接，這樣可以獲得三維增強復合材料。目的是為了更好地加強復合材料的韌性，增加其抗斷裂能力。當縱向加強技術與縫合技術結合起來，能很好地加強復合材料的斷裂韌性，更能提高受沖擊力。相對縫合技術來說，縱向增強技術因為其不受尺寸和厚度的限制，更有發展潛力，是未來航空飛行器應用技術的關鍵。

（3）三維異型整體機織：三維異行整體機織工藝已經比較成熟了，目前在復合材料行業已經運用得非常廣泛了，也可用于纖維織物復合材料方面，主要是采用三維異型整體機輔助制件而成，三維異型整體機織生產的產品，有著很強的整體性和力學合理性，是一種高級復合材料，其作為整體材料，很好的解決了連接和泄漏的問題。對于該技術來說，在未來發展中，主要是一些結構復雜的整體織物生產方面以及編織工藝方面的改進，以此提高產品的質量和生產率。

（4）編織、針織：這是普通的紡織工藝，一般用于結構復雜的預形件定制，這樣能近一步增強某些部分的鏈接，但編織和針織均受設備和紗線的限制，目前來看，這種技術已經實現了全自動生產。從未來來看，隨著三維編織機的出現和發展，如果針織和編織技術若能共同實現完全自動化生產，那么其在未來飛機制造中將有著巨大發展潛力。

3 層板及蜂窩結構制造

纖維增強金屬層板（FRML）是混雜復合材料，是由金屬薄板和纖維樹脂預浸料交替鋪放膠合而成的，根據纖維的排列情況，可分為單向纖維增強金屬層板和多向纖維增強金屬層板。在這類材料中，纖維一般都具有很高的強度和模量，為承載組元，基體金屬（層板材料）起著固結纖維和傳載荷的作用，纖維增強金屬基復合材料層壓板沿纖維方向具有高的尺寸穩定性，優良的高溫特性[3]。

（1）層板結構的制造技術

航空飛行器所用復合金屬層板大多是由薄的金屬板和纖維織物經處理膠合而成，在實際生產中，可根據具體要求、用途，進行復合材料中金屬類型、厚度、纖維的處理，生產過程中工藝、連接技術、鋪貼順序、纖維方向以及處理方式等也可隨之發生改變，這樣達到層板性能的改變。如：目前常用的層板是采用的鋁合金的復合薄板，若要增加材料的比剛度，可以把鋁合金改成鋁鋰合金；若要增加耐高溫，則可把鋁合金換成鈦合金。層板結構中的纖維，一般采用玻璃、芳綸纖維、碳纖維和石墨等。

（2）蜂窩結構制造

蜂窩復合材料是采取特殊結構的材料，采取類似于連續排列的工字鋼結構，使材料有抗壓、抗彎、重量輕、不易變形，不易開裂和斷裂，并具有減震、隔音、隔熱和極強的耐火性等優點。其制造工藝是先用金屬制造成蜂窩，然后再用兩塊金屬板把它夾起來。這種蜂窩結構的復合航天材料目前已大量用于航天飛機、人造衛星、宇宙飛船、衛星等各個方面，其未來發展前景也非常可觀，不僅在航空材料上，甚至在未來的大型軍用運輸機及無人機等機體上有相當廣泛的應用前景。和層板結構復合材料一樣，蜂窩結構可根據實際用途進行用材的調整來增加剛度和硬度。

4 結束語

隨著科學技術的快速發展，越來越多的復合材料被開發并運用，這對制造技術、檢測技術也都相應提出了更高的要求。展望未來，我國應加強復合材料的研發，相信隨著復合材料材料技術研究的深入，其將運用到各行各業。

[1]任曉華.航空復合材料制造技術發展[J].航空科學技術，2010（4）：2-5.

[2]張 巖.復合材料制造技術現狀及在飛機制造業中的應用[J].西安航空學院學報，2009，27（5）：1-3.

[3]周長庚，荀國立，邱啟艷，等.航空復合材料整體成型技術應用現狀與分析[J].新材料產業，2016（05）：52-57.

Discussion on Manufacturing Technology and Development Trend of Aerospace Composites

CHEN Li-feng
（Shanghai Aircraft Manufacturing Co.，Ltd.，Compound Adhesive Workshop，Shanghai 200120，China）

With the aviation technology，intelligent，unmanned aerial vehicles and other high-tech development，composite materials manufacturing technology is constantly breaking.In this paper，the important role of composite materials in the aviation field is introduced，and the technical status of aerospace composites is introduced，and then the development trend and direction are analyzed.

composites；aviation manufacturing；process technology；development trend

V258

A

1672-545X（2017）08-0080-02

2017-05-01

陳麗鳳（1984-），女，上海人，本科，助理工程師，研究方向為航空復材類。