航空復合材料整體成型技術的應用

◎張應南

復合材料整體成型技術的應用可以將原本由幾十或者幾百個構件構成的結構簡化為幾個部分，這不僅會縮短生產加工零部件的時間，也可提升航空器裝配的速度，同時也會在一定程度上減少航空制造的成本。從國內外的航空制造發展現狀來看，復合材料已經被成功應用到機身和機翼部位的制造生產環節，且已經成功制造出787飛機、和B2轟炸機等。可見，復合材料整體成型技術在航空制造領域的應用具有較好的應用前景，值得我們深入研究。

一、復合材料整體成型技術的應用優勢分析

復合材料在實際生產應用中，呈現出逐步向大型化發展的趨勢，在實際應用中，大型化構件為制造裝配提供了較大的便利，同時也可避免在裝配過程中由于裝配質量問題所引發的安全隱患。現就該技術的應用優勢進行分別探討：

1.具備一定的經濟優勢

整體成型技術實際上就是借助共固化、二次膠接等方式，將多個零部件形成整體結構，縮短零部件裝配操作的時間，同時也可省去對接的環節，使結構內的分段數量減少。在進行復合材料成本核算時，是將單位質量作為主要的核算標準，為此，采用整體成型技術，使其自身的質量減輕時，也必定會減少復合材料的生產成本。

2.增強裝配效率與質量

在原有的航空制造中，因機身結構較為復雜，在進行裝配施工時，可以需要幾十萬個緊固構件，這為裝配人員帶來了較大的作業負擔，同時進行質量監督與管理時也存在一定的難度，很難保障對每個裝配構件質量的管理，致使存在一定的質量風險。而復合材料的整體成型技術則可以將幾十萬的堅固構件縮減至幾百個或者幾千個，具體要根據裝配部位的結構形式來確定。堅固構件的減少必定會省去大部分的裝配時間，可以有效提升裝配效率與質量。在一些承力部位的機械連接操作中，所采用的緊固構件以鈦合金緊固件為主，相對來說投入成本較高。另外，在進行裝配施工時，需要借助專用的工具進行鉆孔操作，對于鉆孔的質量和精度要求較高，這也會產生大量的人工成本投入。此外，裝配過程中，應采取濕化裝配方法，以免出現電化腐蝕的現象，但相比與其他裝配方法，濕裝配的成本投入較高。采用復合材料整體成型技術則可以有效減少上述操作，起到控制裝配成本的作用。

3.實現翼身融合

翼身融合就是將機翼和機身融為一體，進行整體結構設計和整體制造。由于復合材料整體成型技術的發展，使得翼身融合設計更易實現。如美國的無人作戰飛機X45-A，即采用高度翼身融合體的無尾式飛翼布局，復合材料占機體結構的比例超過50%，大部分構件由整體成型技術制成；另外無人作戰飛機X-47A采用高度翼身融合體的無尾飛翼式布局，全機結構由復合材料，全機結構由復合材料制成，沿中軸線上下分4大塊制成，充分發揮了復合材料整體成型的技術優勢。

二、復合材料整體成型的主要方法

共膠接。共膠接也叫膠接共固化，是指一個或多個已經固化成型與另一個或多個尚未固化的預成型件通過膠粘劑，在一次固化工藝中固化并膠接成1個整體制件的工藝方法；共固化。共固化是指2個或2個以上的預成型件經過同一固化一次固化成型為一個整體構件的工藝方法；二次膠接。二次膠接是指將2個或多個已固化的復合材料零件通過膠接而連在一起的工藝方法。二次膠接工藝方法的優點在于：二次膠接無應力集中現象，提高結構的疲勞壽命；二次膠接不需要鉆孔，結構完整性好，密封性能好；零件分次固化，工藝風險小。

三、復合材料整體成型技術在我國航空領域中的應用

在復合材料應用范圍逐漸增大的基礎上，其在航空制造中的作用也越來越突出，已經由最初的非承力構件制造，轉變為在承力構件制造中的應用，同時整體成型技術的推出，也為其在航空制造中的推廣與應用奠定了良好的基礎。一些較為先進的復合材料已經被成功應用到我國所設計的軍民飛行器上，主要應用部位有水平安定面、升降舵以及機翼等重點結構部位。在技術不斷完善的技術上，已經實現了各類構件的批量化生產與應用，不僅能夠提升復合材料的應用水平，也可進一步提升制造效率。

整體成型技術在我國航空制造中的應用主要表現在機身、球面框、機翼、平尾和鴨翼等部位。實際制造生產中，在各類結構中發揮了突出的應用優勢，不僅可以減輕結構重量，還可以縮短施工周期，使航空制造的效率得到顯著提升。復合材料整體成型技術在應用過程中總結出了較為完善的施工經驗，且借助多種整體成型技術實現了壁板、加筋工件的加工制造，對于一次曲型結構也可采用復合材料進行加工生產。

另外，研發團隊開發了可實現"零吸膠、常溫加壓"工藝的環氧和雙馬來酰亞胺預浸料，突破了大尺寸/整體化復合材料構件成型時溫差大、加壓窗口對構件質量影響的技術瓶頸，為大尺寸/整體化復合材料構件的制造奠定了基礎。當然，和歐美等發達國家相比，我國航空復合材料整體成型技術的運用相對較少，工藝技術水平相對較低，自動化水平相對低下，制件質量及性能有待提升，研制成本相對較高。為了應對航空制造業的發展要求，應該大力開展整體成型技術的相關研究，以實現復合材料整體成型技術的跨越式發展。

結語：航空復合材料構件逐漸向整體化發展已經成為必然趨勢。一方面整體化和大型化能更好發揮復合材料的優點和特點，能夠進一步減輕質量，提高構件質量，減少緊固件數量，降低裝配成本；同時，復合材料的設計和制造特點也便于實現構件的整體化。在航空產品中使用復合材料整體化技術所帶來的效益已獲得廣泛共識，整體化成型技術所運用的工藝方法也越來越多，越來越趨向自動化，如自動鋪絲、自動鋪帶技術的運用。