低成本復材在航空業的應用

廖子龍

航空材料的進步是推動飛機發展的重要因素。自20世紀70年代以來，高性能碳纖維及其復合材料由于具有密度低、比強度和比模量高、可設計性強、抗疲勞性能好等特點，可實現高性能化與結構功能的一體化，在航空領域的應用比例顯著增加，成為最主要的航空航天結構材料之一。

性能優勢VS成本控制

現有的復合材料成型技術主要源于航空航天工業對高性能結構材料的追求。但是，復合材料成型周期長，設備投資大，帶來了成本高的問題。因此，復合材料能否有更大的競爭力，需要平衡其性能優勢和成本控制兩方面的因素。

20世紀80年代以來，復合材料在航空業的應用經歷了從次承力結構件到主承力結構件的過渡，但成本高影響了其應用的進一步擴大。不過，多年的研究表明，在復合材料的成本中，實際上由原材料構成的成本占比并不高，高的主要是復合材料零件制造過程中的成本。

因此，國外提出了復合材料高效結構與低成本復合材料的概念，多個國家的相關部門提出了試驗和驗證計劃。其中，CAI計劃，即買得起的復合材料計劃，從設計、原材料、制造工藝和自動化技術等環節驗證復合材料的低成本技術，以期擴大復合材料的應用。

低成本復合材料制造工藝，是一種擺脫傳統工藝對熱壓罐等大設備投資的依賴，而出現的非熱壓罐的復合材料成型（固化）工藝。

復合材料的非熱壓罐成型工藝，即通常所說的液體成型（LCM）工藝，其特點是生產效率高，但在性能上，與預浸料熱壓成型的復合材料相比，仍有一定的差距。

為了讓復合材料在非熱壓罐固化條件下獲得更高的性能，一個關鍵技術是開發適用樹脂體系。在這方面，先進復合材料集團公司（ACG）開發了LTM10系列、LTM20系列、LTM30系列、LTM40系列、LTM100系列材料。這些材料的固化溫度在50℃～80℃，具有良好的工藝性能和力學性能，且成型性良好，在制造低成本復合材料構件時貢獻頗大。

國外的低成本工藝

LCM技術通過采用干態纖維與液態樹脂結合的工藝實現結構的整體化，并通過整體結構的減重降低制造成本。LCM技術主要包括以RTM、VARI、RFI等為代表的復合材料成型工藝技術。同時，非熱壓罐成型技術推動了復合材料中間體增強材料在另一個技術領域的發展，拓展了包括NCF、縫合、三維編織預成型體。

RTM成型的工藝比較適合制造復雜結構零件，能保持較高結構效率，可以在三維的結構下，保持纖維的連續性。在此基礎上，業界又開發了第二種液體成型工藝，主要是在單方向上通過樹脂的流動，實現對纖維的浸漬，成型復合材料構件。這種工藝需要制備纖維預成型體，結構的轉化效率也比較高。

第三種工藝是采用傳統的預浸料，但在真空下成型。這種工藝采用烘箱或模具來加熱，可以不用熱壓罐等比較昂貴的加工設備。

國外在復合材料非熱壓罐成型技術方面已經比較成熟。有資料介紹，某飛機型號復合材料結構的45%采用了RTM工藝。隨著該技術的逐漸成熟，整體復合材料零部件的裝配成本包括鋪層成本等被顯著降低。

在這種工藝的基礎上，又發展出結構一體化技術，得以盡量減少飛機制造或者是裝配中的工裝以及重復裝配的成本。因此，采用液態成型的復合材料制造零部件，其數量能夠顯著減少，不但獲得了直接的減重效益，也提高了制造效率。

在工藝改進之后，還必須開發配套的材料，即必須開發適用于非熱壓罐成型工藝的材料體系，使最終產品可達到熱壓罐成型產品的性能水平。

在這方面，先進復合材料集團公司推出的適用于真空成型的預浸料，已經在飛機尾翼部分的模擬試驗件上進行了驗證?？蒲腥藛T對驗證得到的數據進行分析后發現，與傳統的熱壓罐成型產品相比，真空成型技術制成的產品，在受沖擊后的壓縮強度和拉伸強度都基本上能達到與熱壓罐成型產品相當的性能水平。

同樣，在真空輔助樹脂滲透成型技術（VARI）方面，科研人員也在飛機的機翼活動面上進行了驗證，同時也開發了不同樹脂的技術體系，包括中溫、高溫的固化配套的材料技術體系。

自動鋪放纖維+液態樹脂成型的結合，是目前復合材料自動化技術發展的一個熱點，俄羅斯對民機大型復合材料機翼結構進行了驗證，據介紹，成本僅為傳統的熱壓罐成型工藝的30%，具有顯著的成本優勢。整體來看，目前非熱壓罐真空成型技術已經在通用飛機的主承力結構和大型客機的次承力結構上得到了應用。

國內的開發與應用

經過多年研發和應用驗證，中國的液體成型樹脂/纖維預成型體和纖維自動鋪放技術成熟度也得到了顯著提高，并獲得了應用。中航復合材料有限責任公司是國內研制航空用復合材料的重點企業，在復合材料制造工藝方面研發了相應的RTM樹脂，包括中溫、高溫環氧樹脂體系和雙馬樹脂體系，也開發了應用于VARI技術和真空成型技術的樹脂體系。

在應用方面，中航復材結合液體成型技術在纖維預成型體的制備包括縫合等技術方面，在工程型號上進行了考核驗證。同時結合液體成型樹脂動態性能，研究樹脂流動的數字模擬技術，及模具設計加工技術，建立了樹脂在液體成型中流動的數字模擬平臺，為優化液體成型樹脂流動控制和保證復合材料質量一致性提供了基礎。在此基礎上，液體成型材料和制造工藝也在型號上獲得了考核驗證，包括復合材料波紋梁、升降舵等。

在自動化鋪放工藝方面，中航復材在包括材料樹脂體系、預浸帶和預浸絲束工藝制造等方面開展了一系列工作，掌握了鋪帶和鋪絲制造加工工藝的技術，在大型機身壁板上開展了自動鋪帶和自動鋪絲工藝復合材料制造工藝驗證。

自動化量產技術與裝備是復合材料制造業的關鍵技術之一。在美國《復合材料世界》雜志2018年年會上，勢必銳航空系統公司技術總監Pierre Harter表示，他們正在評估將應用在下一代飛機上的材料和技術，以滿足航空航天供應商在制造效率和產量方面的需要。可以肯定，下一代飛機的制造成本必然比我們過去看到的低。

總而言之，研發快速成型技術及自動化技術與裝備已成為低成本復合材料技術發展的熱點。筆者相信，從航空業對復合材料高效結構與降低制造成本的需求出發，會有許多新的技術源源不斷地出現。