現代大飛機復合材料應用與制造技術淺析

付天宇

摘 要：由于復合材料具有比強度高、比剛度大、可設計性強及良好的抗疲勞損傷性能和耐腐蝕性能的優點，大批飛機零、部件相繼采用復合材料，并且采用復合材料的部位、面積和重量也日趨增加。將先進復合材料應用于飛機結構中可相應減重20%～30%，這是其他先進技術很難實現的效果。復合材料已成為鋁、鋼、鈦之后，迅速發展的四大航空材料之一，所占比例也越來越高，在民用飛機上獲得了大量應用。

關鍵詞：現代大飛機;復合材料應用;制造技術

復合材料工藝技術的發展為實現民用飛機大部件的整體設計與整體制造提供了可能，使得飛機結構零部件的數量大大減少，提高了飛機的生產效率和可靠性。目前采用復合材料取代金屬和非金屬等常規材料制造結構件已經成為世界民機制造業的主流趨勢，這對中國自主研制的大型民用飛機的市場競爭力提出了嚴峻的考驗

一、大型飛機復合材料制造技術

1.1 復合材料成本過高仍是制約飛機結構大量應用復合材料的主要障礙，造成成本下不來、用量上不去的狀況。復合材料成本的70%以上來自制造工藝，因此，低成本的制造技術仍是復合材料發展中亟待解決的關鍵問題。目前，國外復合材料最新的制造理念是整體制造（即盡量將復合材料設計成整體結構），采用諸如像自動鋪放、共固化或共膠接等技術實現整體制造。在滿足結構總體性能要求的前提下，復合材料整體成型技術的意義在于可以通過減少零件數目、緊固件數量和協調/連接裝配工作量進一步減輕結構重量，降低成本（尤其是制造成本）。同時，由于相應釘孔數量下降，可改善結構的承載能力，采用整體成型技術還可以減少分段、對接、間隙和臺階，使機體表面光滑，降低RCS值，提高隱身性能。

1.2 采用自動鋪放技術可顯著降低具有復雜形狀復合材料構件的制造成本。最早的自動鋪放技術研究始于復合材料機身的制造，由于采用纏繞技術制造機身時纏繞張力使凹面產生縫隙，并使纖維滑移而偏離原來位置，且傳統的纏繞工藝無法有效改變厚度，纖維鋪放技術解決了上述問題，在大型復雜型面上鋪放和壓實連續預浸纖維，使得纖維在芯模上的鋪放完全在無壓力狀態下進行;鋪放預浸帶時可按要求調整其寬度，還能通過加熱或冷卻調節其粘度，自動鋪放精度可達0.005ram。自動鋪放（ATL/AFP）自動化制造技術可以提高制件質量和工藝效率，減少零件數量，降低制造及裝配成本，目前該技術已得到廣泛應用。

1.3 自動鋪帶適用于尺寸較大，曲率相對較小的零件，如整體壁板類零件、大梁、長桁等，而纖維自動鋪放適用于尺寸較大，形狀相對較復雜的零件，如機身段、進氣道等。目前哈飛集團已經引進了自動鋪帶設備，下面以自動鋪帶為例，簡要介紹機翼整體壁板的制造流程。大型飛機機翼整體壁板結構尺寸較大，不適于手工制造，只能采用自動鋪帶制造技術。整體壁板分為包括橫、縱向加強筋的格柵式整體壁板和只包括橫向加強筋的整體壁板。加強筋還分為工字形、T形等結構形式，帶有工字形加強筋的格柵式整體壁板成型最為復雜，而只帶有橫向T形加強筋的整體壁板相對較易制造，但無論采用何種形式，其制造流程基本是一致的。

二、復合材料在大型民用飛機中的應用

復合材料呈多層次結構，其復雜程度遠高于金屬材料，大型結構件的整體成型和集成制造使得問題更加復雜化，因此其在大型民用飛機上的應用歷經坎坷。波音B757和波音B767中復合材料占總質量的4%;波音B777和空客A340中復合材料的質量分數上升到11%和14%;對于空客A380，復合材料的質量分數為25%;對于代表當今世界民用飛機制造技術最高水平的波音B787和空客A350，復合材料的質量分數高達50%和52%。

可以說，先進復合材料質量占飛機結構總質量的多少，在某種程度上已經成為評價該飛機技術先進程度和市場競爭力的重要指標。從國外的情況來看，復合材料在大型民用飛機結構中的應用主要表現為如下發展趨勢。

2.1 復合材料在大型民用飛機中所占質量分數越來越大

以空中客車公司為例，復合材料占飛機結構的質量分數從A310—300機型的5wt%，上升到A380的25wt%，再到A400M的35wt%，在A350飛機上這一質量分數高達52wt%，第一次實現了復合材料的用量超過了金屬材料的用量，被稱為“塑料飛機”。

2.2 復合材料被大量應用于主承力結構

復合材料最初應用于飛機的艙門、整流罩、安定面等次承力結構，隨著材料性能的不斷提高，目前復合材料已經被廣泛應用于機身機翼等主承力結構。空中客車A380的中央翼盒、翼肋、機身上蒙皮壁板、機身后段、機身尾段、地板梁、后承壓框、垂尾等大量主承力結構都采用碳纖維復合材料。

2.3 由復合材料制造的復雜曲面結構件越來越多

復合材料在復雜曲面結構件上的應用存在一定的挑戰性：（1）受制于制造變形的問題;（2）在鋪層設計方面也具有較大的難度。大量先進制造工藝的出現使得由復合材料制造的復雜曲面結構件越來越多，如A380機身19段和球面后壓力框等具有復雜曲面的大尺寸受力部件，分別采用復合材料纖維自動鋪絲技術和樹脂膜滲透（RFI）工藝制造。

2.4 飛機結構件的制造向整體成型和共固化方向發展

復合材料之所以在大型民用飛機中所占質量分數不斷提高，甚至能夠取代金屬材料大量應用于飛機結構件的制造，不僅僅是因為其輕質高強的特點，更重要的是因為復合材料易于集成制造，從而可實現大型構件的整體成型。復合材料結構件的共固化和整體成型技術能夠顯著減少零件和緊固件的數量，縮短生產周期，減少制造和裝配工時，大幅度降低生產成本。

結語

（1）波音和空客公司在波音787和空客A350上大量使用復合材料的事實表明，復合材料結構不僅減輕了飛機的結構質量，而且改善了飛機的耐腐蝕性能和抗疲勞性能，降低了飛機的維護費用，大幅度提高了民用飛機的經濟性、舒適性和環保性，成為現代大型客機先進性和市場競爭力的標志。

（2）經過40多年的發展，國外民用飛機制造商已經積累了大量的復合材料使用經驗，解決了以往應用中的瓶頸問題，新技術和新工藝的日益成熟以及自動化設備的廣泛采用大大降低了復合材料的生產成本和應用風險。

（3）當今世界大型民用飛機已經進入了復合材料時代，中國自主研制的大飛機也正積極應對挑戰，在下一代國產大型民用飛機中復合材料的應用必將有突破性的進展。

參考文獻

[1]邢麗英，蔣詩才，周正剛.先進樹脂基復合材料制造技術進展EJ].復合材料學報，2017，30（2）：1—9.