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飛機復合材料先進(jìn)制造技術(shù)探究論文
[摘要]隨著(zhù)先進(jìn)復合材料技術(shù)和工藝技術(shù)的迅速發(fā)展，復合材料在飛機上的應用比例穩步增長(cháng)，應用部位從非承力、次承力結構向主承力和核心部件擴展，本文總結了近年來(lái)推動(dòng)復合材料發(fā)展的先進(jìn)材料技術(shù)和制造工藝技術(shù)。
1.引言
航空復合材料是一種由高強度、高剛度增強材料構成的新型材料，具有良好的抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優(yōu)點(diǎn)。復合材料是綜合權衡飛機減重、性能、成本三方面因素的理想材料，在飛機上大量應用可以明顯減輕飛機的結構重量，提高飛機的性能。
2.航空先進(jìn)復合材料發(fā)展分析
復合材料原材料方面，航空用各種樹(shù)脂基復合材料水平有大幅度提高。在碳纖維材料方面，大絲束12k、24k已逐漸代替3k及6k，高強度的T700S及T800S已開(kāi)始廣泛生產(chǎn)。以977-3/IM7和3900/T800S為代表的環(huán)氧樹(shù)脂復合材料已發(fā)展到第二代，其CAI達到245～315MPa，堪稱(chēng)首屈一指。以5250-4/IM7為代表的雙馬基高溫復合材料已發(fā)展到第二代，工作溫度達到177℃，廣泛用于飛機高溫部位。
聚酰亞胺復合材料廣泛用于發(fā)動(dòng)機高溫部位，缺點(diǎn)是含二氨基二苯甲烷（MDA）有毒，美國研究出無(wú)MDA的預浸帶可用于發(fā)動(dòng)機及飛機；因鈦合金稀缺，聚酰亞胺預浸帶正研究用來(lái)代替500℃以下的鈦合金。美國Amber公司開(kāi)發(fā)的C740阻燃氰酸乙酯樹(shù)脂與碳纖維組成的材料固化后工作溫度可達344℃，可用作無(wú)人機S-100的尾噴管及發(fā)動(dòng)機。
3.航空復合材料先進(jìn)工藝技術(shù)發(fā)展分析
航空復合材料先進(jìn)工藝技術(shù)方面，數字化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、低成本技術(shù)以及先進(jìn)工藝裝備的應用和發(fā)展，推動(dòng)了復合材料工藝技術(shù)從以手工制造、模擬量傳遞為特征的傳統技術(shù)迅速轉變?yōu)橐宰詣?dòng)化制造、數字量傳遞為特征的先進(jìn)技術(shù)，目前在航空復合材料中得到廣泛認可和推廣應用的先進(jìn)制造技術(shù)如下：
3.1數字化技術(shù)廣泛應用
采用數字量形式對產(chǎn)品進(jìn)行全面描述和數據傳遞，實(shí)現了設計與制造之間的無(wú)縫對接。目前復合材料構件數字化制造主要體現在預浸料自動(dòng)下料、激光鋪層定位和纖維自動(dòng)鋪放等方面。
3.2自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展
自動(dòng)鋪疊可成型超大尺寸和形狀復雜的復合材料制件，而且質(zhì)量穩定，工件凈近成形，加工切削加工及原材料耗費減少。自動(dòng)鋪帶及絲束鋪放的材料利用率達到80%～97%，而手工鋪層的材料利用率僅為40%，先進(jìn)鋪帶技術(shù)可降低制造成本30%～50%。據統計，2001年前全球只有不足100臺自動(dòng)化復合材料鋪層機，到2007年全球擁有自動(dòng)化復合材料結構制造用機器人設備250臺。2007年大型民機復合材料結構只有43%是用自動(dòng)化制造的，預計10年內將達到64%。
復合材料自動(dòng)化技術(shù)包括自動(dòng)鋪帶技術(shù)（ATL）和自動(dòng)鋪絲（AFP）技術(shù)。目前最先進(jìn)的第五代鋪帶機是帶有雙超聲切割刀和縫隙光學(xué)探測器的十軸鋪帶機，鋪帶寬度最大可達到300mm，鋪帶速度達（1.3～20.4）kg/h，生產(chǎn)效率可達到手工鋪疊的數十倍。所有波音787翼面及翼盒構件均采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造。
針對復雜雙曲率型面，由Hercules率先開(kāi)發(fā)了自動(dòng)絲束鋪放（ATP）。其結合了自動(dòng)鋪帶和纖維纏繞技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，鋪束頭把纏繞技術(shù)所用的不同預浸紗束獨立輸送和鋪帶技術(shù)所用的壓實(shí)、切割、重送功能結合在一起，由鋪束頭將數根預浸紗束在壓輥下集束成為一條寬度可變的預浸帶，然后鋪放在芯模表面，鋪放過(guò)程中加熱軟化預浸紗束并壓實(shí)定型。目前最新的Viper6000系統可以鋪放并控制32個(gè)纖維束，每束寬3.2mm，鋪層帶寬達到10.2cm，鋪絲速度可達6.8～11.3kg/h，最高可達23kg/h，絲束的鋪放精度達到±1.3mm。
除廣泛采用自動(dòng)化鋪層設備外，還廣泛采用了大型自動(dòng)化高速?lài)娝懈顧C、超聲切割機、數控自動(dòng)化鉆鉚機、大型剪切螺栓緊固機等。
3.3液態(tài)成型、非熱壓罐固化等多種工藝日趨成熟
VARTM技術(shù)是目前液態(tài)成形技術(shù)中發(fā)展得較為完善的一種，在CRJ700/900支線(xiàn)飛機、A380、787機身后壓力隔框及A400M貨艙門(mén)上廣泛應用了VAP技術(shù)，纖維體積密度達到65%，孔隙率小于0.2%。非熱壓罐固化雖會(huì )使纖維體積含量減少，但其影響甚小，如在VARTM技術(shù)中，單向帶及織物的纖維體積含量已分別達到60%和56%，而熱壓罐固化所能達到的相應值也僅為62%和58%。
較之VARTM和RTM更接近傳統方法的是采用為非熱壓罐固化開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用預浸料，然后在固化爐中固化。目前，先進(jìn)復合材料公司的首個(gè)熱壓罐外固化復合材料MTM44-1已取得空客認可用做結構件。
3.4先進(jìn)無(wú)損檢測技術(shù)的應用
復合材料制件無(wú)損檢測設備主要需要配置大型超聲C掃描設備和X光無(wú)損檢測設備。此外激光剪切攝影及激光超聲檢測也是主要發(fā)展方向。
在超聲檢驗技術(shù)上最重要的進(jìn)展之一是相控陣檢驗的開(kāi)發(fā)。相控陣超聲檢驗與傳統超聲檢驗相比，改進(jìn)了探測的概率，并明顯加快了檢驗速度。
波音及空軍實(shí)驗室等采用了一批先進(jìn)的無(wú)損檢測技術(shù)。波音公司的移動(dòng)式自動(dòng)掃描機（MAUS）C掃描系統，檢測速度9.3m2/h；空軍實(shí)驗室的激光超聲檢驗速度是水浸超聲探傷的10倍。此外還有電子剪切成像、相控陣超聲等多種方法。
3.5大型工藝裝備的建立
波音787的機翼固化用熱壓罐8m×40m，機身固化熱壓罐9m×23m。A380固化用熱壓罐9m×42m，為世界之最。此外還有Viper6000自動(dòng)鋪放機、大型噴水切割機、隔膜成形機以及自動(dòng)鉆鉚機等也是重要的大型設備。
大型構件的模具重量太大，重達45360kg，采用復合材料作模具，使波音787的后機身模具重量降低60%。目前還在開(kāi)發(fā)氣相沉積薄殼鎳基合金模具，低溫固化復合材料制的模具、碳泡沫模具以及納米技術(shù)改性模具等。
3.6手工鋪層在次承力結構制造中仍不可替代
手工鋪層在定貨量小，質(zhì)量要求高的場(chǎng)合仍廣泛應用。它的優(yōu)點(diǎn)是可使蒙皮厚度有大的變化，進(jìn)行局部加強。目前手工鋪層使用了許多專(zhuān)用設備來(lái)控制和保證鋪層的質(zhì)量，如復合材料預浸料自動(dòng)剪裁下料系統、鋪層激光定位系統等，從而將依賴(lài)于樣板的制造過(guò)程轉變?yōu)榭筛鶕䦶秃喜牧显O計軟件產(chǎn)生的數據文件進(jìn)行全面運作的制造過(guò)程。在某些形狀復雜的次承力構件制造中，手工鋪層仍是不可取代的。手工鋪層的缺點(diǎn)是要求鋪層人員有很高的技藝和施工經(jīng)驗，手工鋪貼費工費時(shí)，效率低、成本高（占總成本的1/4），難以適應大批量生產(chǎn)和大型復雜復合材料制件的生產(chǎn)要求。
4.結論
先進(jìn)復合材料在飛機上的應用和發(fā)展很大程度上取決于復合材料技術(shù)和工藝制造技術(shù)的快速進(jìn)步。在目前及未來(lái)一段時(shí)期內，在適當保留傳統手工制造的基礎上，耐高溫、耐腐蝕、高強度等高性能復合材料及數字化、自動(dòng)化、低成本制造技術(shù)是航空復合材料發(fā)展的主要方向。
參考文獻
[1] 益小蘇.先進(jìn)復合材料技術(shù)研究與發(fā)展[M].國防工業(yè)出版社，2016，（5）.
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