航空復合材料構件精確制造技術及應用分析

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

0 引言

復合材料由于其強度高、抗疲勞能力強以及耐腐蝕性好尤其是其具有優越的減重性能被廣泛應用，尤其是被廣泛應用于航空領域[1]。目前，復合材料在飛機結構中的用量已超過其總量的50%，而且在將來其用量比例還在不斷增加。為保證復合材料在航空領域應用效果，要求其性能必須滿足其應用需求，繼而對復合材料的制造技術提出更要的要求和挑戰[2]。

1 航空復合材料構件精確制造技術研究

1.1 航空負荷材料構件制造技術概述

航空事業發展的今天，各種復合材料的應用頻率不斷增高，如一架飛機中采取到負荷材料水平直接決定了其在航空領域的發展。

與國外一些國家，如俄羅斯、白俄羅斯以及烏克蘭等國家相比我國復合材料在航空領域的應用相對較晚，對應復合材料構件制造技術的水平還存在一定的差距。比如，由于制造技術落到導致制造效率低且最終產品質量無法完全滿足實際應用的需求。為保證復合材料性能針對其構件采用精確制造技術，并對制造技術應用過程中進行全面的監測和控制。

目前，就復合材料構件的制造工藝而言，根據其應用原材料的不同可分為基于預浸料的制造技術和基于樹脂轉移的制造方法。其中，基于預浸料的制造工藝包括有熱壓罐成型工藝、模壓成型工藝及真空壓力成型工藝；基于數值轉移的制造工藝包括有樹脂膜滲透成型工藝、樹脂傳遞模塑成型工藝等。上述兩種復合材料制造技術主要以基于預浸料制造技術的應用為主，且以熱壓罐成型工藝應用最為廣泛[3]。對熱壓罐成型工藝而言，為保證最終構件的性能需結合自動化技術和整體化制造工藝達到精確制造的目的。如RFM工藝就是樹脂浸漬技術，利用傳統的真空袋壓成型的手段來進行生產和加工，具體的工藝常用于雷達天線罩；RTM技術則是制造雙面大型的整體件強度高用來制造行門艙門、后蓋大型配件。

將預浸料的自動鋪層技術、自動裝配技術、自動檢測技術等有機結合應用于復合材料構件的制造和性能的檢測，為保證復合材料構件產品的性能，提高其生產效率提供了基礎。自動化技術的運用是借助數控技術由隔離襯紙進行一系列地處理，實現復合材料的自動化控制。采用上述精確制造技術可有效降低生產制造工藝中的裝配環節、提升鋪層效率和質量，并對半成品進行檢測及時修正制造工藝參數。

1.2 國外航空復合材料構件制造技術

就俄羅斯、烏克蘭等國家而言，上述復合材料構件的精確制造技術已經應用于空客A350和波音787等機身、機翼的制造中，其涉及的精確制造工藝包括有自動鋪帶、自動鋪絲。實踐表明，復合材料構件精確制造技術的應用不僅提升了制造的自動化水平降低了單機的制造成本，而且還保證了所制造復合材料構件的性能。

對于波音787飛機的筒體結構采用精確制造技術中的整段制造工藝，根據波音787所設計的結構外形設計大型模具，并結合臥式絲鋪放設備對預浸料進行鋪層，最終基于熱壓罐成型工藝完成對波音787機身的整體精確制造。上述整段制造工藝雖然具有極好的整體性和制造效率，但是該種整體精確制造工藝下對應的模具及工裝的設計難度較大。為此，在保證制造效率的前提下，為進一步簡化模具及工裝，針對空客350機身復合材料構件的制造采用分段成型工藝并采用長桁膠接共固化工藝完成每段構件的裝配。因此，當前國外針對復合材料構件的制造基于先進鋪層技術和膠接技術已經形成了精確制造技術并已成功應用于實際生產中。

1.3 國內航空復合材料構件制造技術

近年來，隨著我國對復合材料構件在飛機制造應用比例的不斷增加，涉及到的精確制造技術已經得到初步發展，主要指國產客機機身復合材料構件包括機身壁板等大型構件的精確制造。比如，采用自動鋪絲、鋪帶以及疊層滑移等關鍵精確制造技術提升了對大型復合材料構件的自動鋪絲水平和疊層滑移能力，而且，上述精確制造技術已經應用于實際生產中。

2 復合材料構件精確制造技術的質量控制

為保證基于精確制造技術所得產品的性能滿足實際生產需求，需對該制造技術實施中涉及到的各項工序進行嚴格的質量控制，主要從復合材料構件的原材料控制、工藝過程的控制以及最終產品的檢驗控制等三個方面進行。本文結合基于熱壓罐工藝制造飛機復合材料構件的制造闡述精確制造技術的質量控制。

2.1 復合材料構件精確制造原料的控制

針對原料的質量控制，除了對原材料本身的特性進行嚴格把關外還需對原材料在運輸、儲存等過程中的工藝參數進行嚴格控制，保證原料的穩定性。

對復合材料構件而言，其主要的原材料為預浸料，在制造實施之前需對預浸料本身的關鍵參數進行確認，包括有預浸料本身的樹脂含量、凝膠時間、揮發含量以及預浸料與其他材料的層合特性等綜合對預浸料的性能進行綜合評估。鑒于預浸料本身會發生固化反應，從而影響其使用性能。因此，在運輸和貯存需嚴格按照規范對條件進行設置，尤其是注意對預浸料低溫、防潮的處理。

2.2 復合材料構件精確制造工藝過程的控制

對于精確制造工藝中的整段制造工藝由于其對模具及工裝的要求較高，導致模具、工裝的設計難度較大。因此，復合材料構件的精確制造一般采用自動鋪放工藝和膠接工藝。故，本文注重對自動鋪放工藝和膠接工藝的質量控制進行研究。

2.2.1 自動鋪放工藝的質量控制

目前，預浸料的鋪放工藝已經由傳統的人工鋪放發展為基于自動化設備的鋪放。但是，在實際操作中由于預浸料本身材料特性與鋪放設備工藝參數、軌跡等不合理導致最終產品有缺陷產生。因此，在自動鋪放工藝實施之前需嚴格對預浸料的一致性、設備參數設置的合理性和設備運行的穩定性等進行嚴格把關，并對自動鋪層完成的半成品的質量進行實時監控，并對上述參數進行實時調整，包括對溫度、鋪放壓力等工藝參數的穩定控制。

2.2.2 膠接工藝的質量控制

膠接工藝的控制將最終決定所得產品的整體性能。對于膠接工藝的質量控制，其中涉及并包括了對膠接材料本身性能的控制，對膠接輔助材料性能的控制以及對待膠接半成品表面處理方法的控制和實施環境的控制。對于膠接材料、膠接輔助材料以及待膠接半成品的表面處理必須符合相關工藝規范的要求；對于膠接實施過程中定位質量，需基于先進定位設備完成包括有激光投影儀、工業機器人等膠接定位進行控制。

2.3 復合材料構件精確制造產品的檢驗

好的產品離不開規范的檢驗流程。同樣，對復合材料構件成品而言，為保證產品能夠滿足航空領域的需求在產品出廠前需完成無損檢測、外形檢測和外觀檢測等。在檢測過程中，要求嚴格按照檢測規范和流程執行，對復合材料構件的質量進行綜合判定。

3 結語

復合材料具有較好的強度、抗疲勞性能，并在航空領域減重方面具有顯著作用。復合材料構件的制造技術在多年的發展中基于自動鋪帶技術、膠接技術以及先進固化技術實現了對其產品的精確制造。復合材料精確制造技術在保證產品性能的同時，還提高了其制造效率，為航空領域的發展奠定了扎實的基礎。