航空复合材料制造技术及发展趋势探讨

陈丽凤

（上海飞机制造有限公司复材胶接车间，上海200120）

航空复合材料制造技术及发展趋势探讨

陈丽凤

（上海飞机制造有限公司复材胶接车间，上海200120）

随着航空技术、智能化、无人机等高新技术的发展，复合材料的制造技术正在不断地突破。本文将从复合材料在航空领域使用的重要作用入手，对航空复合材料的技术现状进行介绍，然后对其发展趋势和方向进行分析概述。

复合材料；航空制造；工艺技术；发展趋势

早在20世纪60年代，复合材料就已应用于航空领域，随着近几年航天科技的飞速发展，飞行器也不断朝着高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向突破，航空复合材料的制造技术以及材料性能也在不断提高。先进复合材料已经成为航空航天四大材料之一。飞机的大部分都是采用复合材料，可见复合材料对航空工业的重要性。正所谓“一代材料，一代飞机”，材料的水平直接决定着航空、航天领域的发展。我国目前在复合材料的技术方面还不太成熟，加强对航空复合材料制造技术研究有重要意义。本文对复合材料零件成形技术和预形件制造技术的发展做简要概述。

1 零件成形技术

所谓零件成形技术是在满足零件外形的情况下，不损伤纤维并确保它们合理地分布在基体中而不产生重大空隙的工艺方法，该技术常应用于航空航天弯管类零件和钣金零件等各种零件的加工。复合材料成形工艺特点主要取决于复合材料基体，基体材料本身的成形方法也往往适用于以该材料为基体的复合材料。目前来看，零件成形技术主要有RTM、RFI、纤丝缠绕、自动铺带、铺丝等技术。

（1）RTM成形技术

RTM是指树脂转移模塑成形技术，由于环保、成本低、质量好，且能形成双面大型的整体件，达到节约装配工作等优点，因而其在强度主承力结构件的制造方面运用非常广泛，如：舱门、检查口盖等。在大型RTM件也有应用，如在F-35上垂尾上的应用。就发展趋势来说，要对孔隙大、纤维含量低、树脂分布不匀浸渍等各种问题进行解决[1]。在今后的技术研发中，充填过程模拟技术、热传递和固化反应研究、注射方法研究、RTM设备研究等几个方面是关键。

（2）RFI工艺技术

RFI工艺技术又称为树脂浸渍技术，该技术是树脂膜熔渗和纤维预制体相融合形成的一种低成本复合材料成形技术，其采用传统的真空袋压成形方法进行工艺生产，现在主用于飞机雷达天线罩等大平面或不太复杂的曲面构件的生产。RFI工艺的优点是可以使用熟知的预浸料树脂体系，其成形的复合材料性能与预浸料成形复合材料的性能相同。RFI工艺使用树脂膜，制造脂膜的成本约为纯树脂成本的两倍，成本较高。此外，这种树脂膜在没有载体的情况下操作不便，如胶黏剂膜。RFI技术在真空袋系统进行固化时对温度要求较高，因此对核心材料及工装的高温承受要求比较高，在之后的发展研究中，RFI更多的要从三维编织及缝合、树脂流动模拟及控制等方面入手进行研究开发。

（3）纤维缠绕技术

纤维缠绕是一项非常成熟的技术，是通过把纤维束进过浸渍后通过纤维进给装置缠绕到芯轴上，主要是采用了编织带缠绕技术，该技术是应用最为广泛的复合材料自动化成型技术。缠绕成形制品具有强度高、质量轻、隔热耐腐蚀性能和良好的工艺性，主要用于空心、圆形及椭圆零件。在以后的发展中，纤维缠绕技术在克服了成本高、自动化程度低的缺点后，应用范围显著扩大。

（4）自动铺带和自动铺丝技术

自动铺带技术是国外应用最广泛的复合材料制造技术之一，是通过数控技术完成，采用有隔离衬纸的单向预浸带，剪裁、定位、铺叠、辊压等自动化生产。自动铺丝技术相对自动铺带技术更加精细，能完成更为复杂的结构，且材料消耗率更低。它兼顾了自动铺叠与纤维缠绕的优点。目前，多铺放头铺带机、针对特定构件的专用化铺带机、超声切割复合化是自动铺带和铺丝技术的发展放心，包括系统优化、快速检测等。自动化铺丝和铺带运用比较广，大多用于机身段和尾翼等。

2 预形件制造技术

在复合材料制造中，采用预形件制造技术，主要是增强二维复合材料叠层结构在厚度方向的强度，预形件制造技术多用于层板连接、缝合等，目前，这方面的制造技术大多有缝合、纵向加强、三维异形整体机织、编织、针织、经编等6种技术[2]。

（1）缝合技术：缝合技术是针对纤维织物，通过纤维和缝合机将不同的部分连接到一起，再进行复合固化，最终形成纺织类的复合材料。这类材料大多用于蒙皮复合材料预形件，有着强度高、可变性大、抗剪切能力强、韧性好、抗疲劳、重量轻、成本低等优势。目前所采用的缝合技术大多是美国开发的。对我国来说，缝合技术之后的发展方向主要在于产品的厚度、连接强度方面。

（2）纵向加强技术：纵向加强技术是在连接固化前或固化过程中用销棒插入到层板中使其更近一步连接，这样可以获得三维增强复合材料。目的是为了更好地加强复合材料的韧性，增加其抗断裂能力。当纵向加强技术与缝合技术结合起来，能很好地加强复合材料的断裂韧性，更能提高受冲击力。相对缝合技术来说，纵向增强技术因为其不受尺寸和厚度的限制，更有发展潜力，是未来航空飞行器应用技术的关键。

（3）三维异型整体机织：三维异行整体机织工艺已经比较成熟了，目前在复合材料行业已经运用得非常广泛了，也可用于纤维织物复合材料方面，主要是采用三维异型整体机辅助制件而成，三维异型整体机织生产的产品，有着很强的整体性和力学合理性，是一种高级复合材料，其作为整体材料，很好的解决了连接和泄漏的问题。对于该技术来说，在未来发展中，主要是一些结构复杂的整体织物生产方面以及编织工艺方面的改进，以此提高产品的质量和生产率。

（4）编织、针织：这是普通的纺织工艺，一般用于结构复杂的预形件定制，这样能近一步增强某些部分的链接，但编织和针织均受设备和纱线的限制，目前来看，这种技术已经实现了全自动生产。从未来来看，随着三维编织机的出现和发展，如果针织和编织技术若能共同实现完全自动化生产，那么其在未来飞机制造中将有着巨大发展潜力。

3 层板及蜂窝结构制造

纤维增强金属层板（FRML）是混杂复合材料，是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的，根据纤维的排列情况，可分为单向纤维增强金属层板和多向纤维增强金属层板。在这类材料中，纤维一般都具有很高的强度和模量，为承载组元，基体金属（层板材料）起着固结纤维和传载荷的作用，纤维增强金属基复合材料层压板沿纤维方向具有高的尺寸稳定性，优良的高温特性[3]。

（1）层板结构的制造技术

航空飞行器所用复合金属层板大多是由薄的金属板和纤维织物经处理胶合而成，在实际生产中，可根据具体要求、用途，进行复合材料中金属类型、厚度、纤维的处理，生产过程中工艺、连接技术、铺贴顺序、纤维方向以及处理方式等也可随之发生改变，这样达到层板性能的改变。如：目前常用的层板是采用的铝合金的复合薄板，若要增加材料的比刚度，可以把铝合金改成铝锂合金；若要增加耐高温，则可把铝合金换成钛合金。层板结构中的纤维，一般采用玻璃、芳纶纤维、碳纤维和石墨等。

（2）蜂窝结构制造

蜂窝复合材料是采取特殊结构的材料，采取类似于连续排列的工字钢结构，使材料有抗压、抗弯、重量轻、不易变形，不易开裂和断裂，并具有减震、隔音、隔热和极强的耐火性等优点。其制造工艺是先用金属制造成蜂窝，然后再用两块金属板把它夹起来。这种蜂窝结构的复合航天材料目前已大量用于航天飞机、人造卫星、宇宙飞船、卫星等各个方面，其未来发展前景也非常可观，不仅在航空材料上，甚至在未来的大型军用运输机及无人机等机体上有相当广泛的应用前景。和层板结构复合材料一样，蜂窝结构可根据实际用途进行用材的调整来增加刚度和硬度。

4 结束语

随着科学技术的快速发展，越来越多的复合材料被开发并运用，这对制造技术、检测技术也都相应提出了更高的要求。展望未来，我国应加强复合材料的研发，相信随着复合材料材料技术研究的深入，其将运用到各行各业。

[1]任晓华.航空复合材料制造技术发展[J].航空科学技术，2010（4）：2-5.

[2]张 岩.复合材料制造技术现状及在飞机制造业中的应用[J].西安航空学院学报，2009，27（5）：1-3.

[3]周长庚，荀国立，邱启艳，等.航空复合材料整体成型技术应用现状与分析[J].新材料产业，2016（05）：52-57.

Discussion on Manufacturing Technology and Development Trend of Aerospace Composites

CHEN Li-feng
（Shanghai Aircraft Manufacturing Co.，Ltd.，Compound Adhesive Workshop，Shanghai 200120，China）

With the aviation technology，intelligent，unmanned aerial vehicles and other high-tech development，composite materials manufacturing technology is constantly breaking.In this paper，the important role of composite materials in the aviation field is introduced，and the technical status of aerospace composites is introduced，and then the development trend and direction are analyzed.

composites；aviation manufacturing；process technology；development trend

V258

A

1672-545X（2017）08-0080-02

2017-05-01

陈丽凤（1984-），女，上海人，本科，助理工程师，研究方向为航空复材类。