如何对复合材料航空制件成型过程进行审核

董化宇

（质量审核及管理体系认证中心，北京 100028）

复合材料就是采用两种以上异质、异形、异性的材料通过复合的途径形成一种新材料。这样可以借助各组成材料特性的互补作用使复合材料具有出色的综合性能。

复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料。目前，结构复合材料占绝大多数。在结构复合材料中主要含有增强体与基体两部分。增强体承担结构使用中的各种载荷，而基体则起到粘接增强体的辅助作用。结构复合材料种类有聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料、水泥基复合材料等。

聚合物基复合材料是指聚合物作为连续相和增强材料共同构成的一类复合材料。在所有类型的复合材料中，聚合物基复合材料的用量最大，占复合材料总用量的90%以上。按照基体的特性，聚合物基复合材料可分为热固性树脂基复合材料和热塑性基复合材料两大类。按增强材料的种类又可分为纤维增强树脂基复合材料和颗粒增强树脂基复合材料等类别。在聚合物基复合材料中，纤维增强热固性树脂基复合材料的地位最为重要，笼统地说到聚合物基复合材料时通常是指这类复合材料。

与传统的金属和无机非金属材料相比，纤维增强热固性树脂基复合材料具有比强度和比模量高、各向异性和可设计性好、抗疲劳性良好、尺寸稳定、成型工艺性好、耐化学腐蚀、电性能好、减振性好、热导率低等优点。

由于纤维增强热固性树脂基复合材料的一系列优点，它已在航空航天、能源工程、生物工程、海洋工程、电子电气、交通运输、建筑、体育休闲等方面得到了广泛应用。

在航空领域，近年来，纤维增强热固性树脂基复合材料在飞机上所占比例越来越大。目前主要用来制造飞机的雷达罩、机身、机翼等重要的航空制件。

1 纤维增强热固性树脂基复合材料的特点和成型要求

纤维增强热固性树脂基复合材料制件的成型与传统金属制件的制造有很大不同，具体特点有如下几个方面。

1.1 材料成型和制件成型是同时完成的，复合材料的生产过程也就是复合材料制件的制造过程。

1.2 在复合过程中，增强体与基体相粘接并固定于基体中，其物理、化学性质及形态通常不变化，但基体材料在复合材料的成型过程中要经历从状态到性能的变化。

1.3 在增强体材料和基体间存在界面，界面结合情况对复合材料的性能有很大的影响。

由于以上特点，对纤维增强热固性树脂基复合材料制件成型工艺技术有以下要求：

能提供基体材料从原料状态到最终状态转化的合适条件，并实现与增强体的界面结合，不产生气泡，或能将所产生的气泡顺利排出，不致形成复合材料空隙。

增强体表面应能实现与基体的界面结合，并能按预定方向和层次排列，均匀分布于基体材料中，形成致密的整体。在工艺过程中对增强体的机械损伤和湿热影响要减到最低限度。

为制件提供要求的尺寸、形状和表面质量。

2 纤维增强热固性树脂基复合材料航空制件的成型方法

纤维增强热固性树脂基复合材料主要由基体和增强体两部分组成。基体有酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂等；增强体有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等。

纤维增强热固性树脂基复合材料航空制件的主要成型方法有热压罐成型、模压成型、树脂传递（注塑）成型、缠绕成型等。

热压罐成型：用真空袋密封复合材料坯件组合件放入热压罐中，在加热、加压的条件下进行固化成型复合材料制件的方法。

模压成型：将预混料或预浸料装入模具中，在一定的温度、压力下固化成型复合材料制件的方法。

树脂传递（注塑）成型：将纤维预制体预先装入模具内，再注入呈液态的树脂体系，经固化成型复合材料制件的方法。

缠绕成型：在控制张力预定线型的条件下，浸有树脂的连续纤维、织物或预浸纱带，以一定方式连续缠到芯模或模具上成型复合材料制件的方法。

3 对纤维增强热固性树脂基复合材料航空制件成型过程的审核

影响纤维增强热固性树脂基复合材料航空制件（以下简称复合材料航空制件）成型过程质量的因素有工作环境、材料、设备、仪表、模具、工艺方法、检验试验、人员等。因此，对复合材料航空制件成型过程的审核也应围绕着这些因素进行。

3.1 工作环境

复合材料航空制件成型区域分特殊工作间和一般工作间两类。树脂（胶液）配制、预浸料制备、预浸料的剪裁与铺贴、工艺组合和胶接组装应在特殊工作间进行。其它作业可在一般工作间进行。

特殊工作间的环境要求：温度（22±4）℃，相对湿度30%～65%，空气清洁度≥10μm的尘粒不超过10个/l；室内对应于室外应保持（10～40）Pa的正压力差；室内的照度应达到200～300lx。

一般工作间的环境要求：温度（22±4）℃，相对湿度30%～65%，室内有良好的通风设施。

审核时应关注：树脂（胶液）配制、预浸料制备、预浸料的剪裁与铺贴、工艺组合和胶接组装是否在特殊工作间进行；特殊工作间、一般工作间的环境是否满足规定要求；特殊工作间的入口是否设有风淋室或其它除尘设施，空气净化装置是否定期检查、维护；进入特殊工作间的压缩空气是否经过除油、除水处理；特殊工作间内的工作台、地板、设备是否每天用吸尘器清洁一次，墙壁、天花板、灯具等是否至少每月清洁一次。

3.2 材料

用于制造复合材料航空制件的预浸料、纤维、树脂、固化剂及其它添加剂等原材料，应按相应的技术标准进行进货检验。检验合格的原材料按技术标准规定的条件贮存。超过贮存期的预浸料、树脂、固化剂及其它添加剂，应按相应的技术标准规定处理。

预浸料、纤维、树脂、固化剂及其它添加剂等原材料应通过鉴定合格才能使用。生产厂家或生产地点变动以及重大工艺变化后供应的原材料，应通过验证试验后方可使用。

用于制造复合材料航空制件的工艺辅助材料，如真空袋膜、隔离膜、吸胶布、导气膜等，应满足成型工艺的要求。主要的工艺辅助材料应进行进货检验。检验合格的工艺辅助材料按贮存要求入库贮存。超过贮存期的工艺辅助材料经重新进行工艺试验合格后可继续使用。新研制的工艺辅助材料或改变生产厂家的工艺辅助材料，应经工艺试验合格后方可使用。

审核时应关注：原材料/工艺辅助材料是否按规定进行了进货检验；贮存条件是否符合要求；超期的原材料/工艺辅助材料是否按规定处理；新的原材料/工艺辅助材料是否经过鉴定/试验合格后才使用；生产厂家变动后是否重新进行鉴定/试验。

3.3 设备、模具及仪表

复合材料航空制件成型过程使用热压罐、热压机等成型设备，同时还使用模具及压力表、真空表、热电偶、天平等测量仪表。

热压罐罐内任意两点温度差应不大于10℃，空气升温和降温速率应在（0.3～5）℃/min范围内可调，热压罐温度的控制精度应达到±3℃。热压罐温度均匀性应每年检定一次，温度控制系统应每年校验一次。

热压机加热板有效使用面积内任意两点之间的温度差应不大于10℃，降温速率应在（1～10）℃/min范围内可调，热压机的上下压板应水平并互相平行，热压机应采用热电偶多点测温，压力波动值应在±10%的范围内。

制件成型模具需通过温度均匀性检查，对于热压罐成型工艺和树脂传递（注塑）成型工艺所用的模具还需通过气密性检查合格后，方可投入试用。在完成首件制件鉴定，所用的模具方可正式投入生产使用。当模具有较大修改、制件有较大改动、成型工艺有较大变化及关键工艺辅助材料作了更换时，应重新进行试模检查。

审核时应关注：热压罐、热压机的性能是否满足规定的要求。热压罐的温度均匀性、控温精度是否定期检定或校验；模具试用前应进行温度均匀性、气密性检查并经过首件鉴定后才能正式用于生产。发生较大变化时，模具是否重新试模；压力表、真空表、热电偶等控制仪表的精度是否满足工艺要求并定期检定。

3.4 工艺方法

复合材料航空制件的成型过程有树脂配制、模具准备、剪裁、铺贴、纤维缠绕（缠绕成型）、树脂注入（树脂传递（注塑）成型）、工艺组合及封装（热压罐成型）、固化等工序。后续加工有制件的修边、切割、制孔、装配连接等工序。

审核时应关注以下几个方面。

3.4.1 树脂是否按树脂配制工艺说明书进行；配制树脂容器是否符合工艺说明书的规定（不允许使用含蜡的纸质容器）；超过使用期的树脂禁止使用。

3.4.2 是否使用工艺说明书规定的铺贴专用模具、成型模具；铺贴专用模具上的隔离膜或脱模布是否标出铺贴的外形尺寸和铺层方向角度线；成型模具是否按工艺说明书的规定准备，包括涂脱模剂、铺贴隔离膜等。

3.4.3 从冷藏间取出的预浸料是否待密封袋内温度达到室温后方可启封取出预浸料进行剪裁；预浸料剪裁时，不应损伤隔离纸和保护膜，是否将它们一直保持到铺贴工序；剪裁使用的工作台、剪裁样板、尺子、刀子等是否干净，不允许有油污或其它杂质污染。剪裁时不宜使用塑料或木材制成的剪裁样板和尺子。

3.4.4 预浸料、干织物铺贴时，是否逐层铺贴、逐层检查、逐层记录；每层预浸料上的隔离纸和保护膜撕下后，是否按顺序放置并及时按铺层数清点，防止被带入铺层内；预浸料铺贴过程中，每次压实的时间、温度和加热压实的次数是否符合工艺要求；干织物铺贴时，是否每铺一层后用适当方法固定，防止其相互滑动、错位。

3.4.5 缠绕成型时，纤维缠绕工艺参数，如线型、缠绕角、纤维张力、树脂槽温度等是否符合工艺要求；缠绕机纤维张力波动值是否在±10%范围内。

3.4.6 在树脂传递（注塑）成型时，注入树脂的工艺参数，如盛树脂容器和管道的温度、模具的温度、模具内真空度、注入压力、注入速度等是否符合工艺要求。

3.4.7 热压罐成型时，使用的工艺辅助材料是否符合工艺说明书的规定；制件坯料在模具中的位置是否正确；真空密封的真空度是否低于－0.092 MPa；停止抽气后，10 min真空度下降是否大于0.02 MPa。

3.4.8 固化成型时，是否在制件边缘处放置热电偶；当制件的厚度变化比较大时，在制件的最厚部分和最薄部分是否分别放置热电偶；固化成型时，加热升温速度、冷却降温速度是否在规定的范围内；在热压罐成型或热压机成型时，是否按工艺要求控制加压点；固化参数，如温度、压力、时间、加压时机等是否符合工艺说明书的规定；纤维缠绕工艺中，缠绕结束后，在室温或加热固化时，树脂完全凝胶之前是否使制件继续保持旋转状态。制件从模具中取出进行后固化时，后固化的加热升温速率、冷却降温速率是否符合工艺要求。

3.4.9 制件的修边、切割是否使用专用切割工具和合理的切削参数；制件在制孔时，是否采取措施防止出现分层和开裂。

3.4.10 制件装配时，是否在预装配确认满足要求后再进行装配连接；机械连接装配时出现的间隙，是否按规定用垫片垫平；胶接连接装配时，是否有工艺要求的胶接间隙，以保证胶层的厚度；胶接固化是否按工艺要求实施。

3.5 检验试验

复合材料航空制件应进行外观目视检查、外形尺寸测量、无损检测（超声波检测、X射线检测等）、随炉件性能测试（弯曲强度和模量、层间剪切强度等）。

审核时应关注以下方面。

3.5.1 是否规定了外观目视检查的内容；是否规定了外形尺寸测量的内容、测量设备及测量方法；外观目视检查、外形尺寸测量结果是否记录；随炉件的性能测试是否符合规定的要求；是否按规定的方法进行性能试验。

3.5.2 是否有超声波、X射线检测工艺卡；无损检测环境是否符合要求（如温度、湿度、振动、强磁、高频、灰尘、照度等）；超声波检测仪、探头的性能是否符合规定要求并定期校准/检查；超声波检测使用的试块（标准试块、对比试块、参考试块）是否满足规定要求；超声波检测时是否使用规定的耦合剂；X射线检测所使用的胶片、增感屏、暗室、胶片处理溶液、像质计等是否满足规定的要求；用于X射线检测的X射线机、观片灯、光学密度计等的性能是否满足规定要求；是否按超声波、X射线检测工艺卡的规定进行无损检测；

3.6 人员

从事复合材料航空制件成型的操作人员、检验员则必须经过相应的专业技术培训，并取得相应的资格。

审核时应关注：操作人员、检验员是否经过专业培训并持证上岗；在停止复合材料制件制造操作二年以上、工艺或工艺装备有重大改变、出现操作事故等情况下，是否重新考核，取得合格证后方可进行操作；从事超声波、X射线检测等无损检测人员是否取得相应的资格等级证书，资格等级证书是否在有效期内，是否从事与其资格等级证书相适应的无损检测工作。

另外，复合材料成型过程是需要确认的特殊过程，对过程参数、方法、工艺材料、工作环境、设备、人员等应进行确认（鉴定），以证明能制造出符合要求的复合材料航空制件。因此，在对复合材料航空制件成型过程进行审核中，除了对以上内容进行审核之外，还应关注复合材料成型过程是否进行了确认（鉴定），确认（鉴定）的结果是否满足要求。这样才能比较完整和系统地对复合材料航空制件成型过程进行审核。

（编辑：雨晴）