纤维增强树脂基复合材料的应用与发展

赵鹏飞 (西安爱生技术集团公司)

纤维增强树脂基复合材料在航空工业中获得了广泛应用，尤其在无人机方面，各种尺寸的全复合材料无人机已非常普遍。

无人机尺寸相对较小和对安全性要求相对较低，因而纤维增强树脂基复合材料在无人机机体结构制造上的应用则更加广泛和成熟。尽管如此，在复合材料制件制造过程中，由于环境、原材料缺陷、结构设计不合理、工艺规范要求不完整以及操作过程不当等因素会导致产品中各种缺陷的产生，而制造缺陷的存在会严重影响复合材料制件的性能和使用寿命，甚至还会导致制件的报废，造成重大经济损失。

因此，无人机复合材料构件的质量控制与保证仍需系统全面地考虑复合材料结构设计、工艺设计与制造过程涉及的各个环节。

全复合材料无人机机体结构

小型无人机由于其特有的低风险（无人）、低成本（较大飞机而言）特性以及总体尺寸较小的特点，为一些新材料、新思想、新技术提供了可以施展和验证的平台。因此，受适航安全条例的限制，复合材料应用于有人驾驶飞机结构时，小型无人机结构应用复合材料快速增加，并成为小型无人机的主体材料。显然，复合材料优良的性能、显著的减重效益及良好的成型工艺性为无人机减轻重量和降低成本提供了更大的可能性。

自20世纪60年代初无人机型号“靶”-I研制就采用玻璃钢/复合材料设计与制造，并且其后几乎所有型号无人机外形均采用了玻璃钢/复合材料。西安爱生自成立以来，无人机机翼、机身部件主承力结构梁均采用碳纤维复合材料，标志着爱生公司无人机结构已进入了全复合材料时代。

无人机机体结构也随着复合材料技术的发展而发展，初期较多采用梁式结构，其主承力件（如梁或梁缘条等）采用金属材料，其余采用复合材料。无人机的机身主要采用梁式结构，由纵向梁凸缘、蒙皮和横向框组成；机翼结构有多种形式，若按翼面主承力盒结构划分，无人机机翼结构有夹层板梁式结构、夹层壁板墙式结构、全高度泡沫夹芯结构、蒙皮空腔结构和夹层盒结构等。

随着复合材料设计技术和制造技术的发展，基于整体成型或低成本技术的飞机机体结构也逐步采用。例如无人机机翼的梁式结构应用较为普遍，有典型的双梁多肋形式，还有适合整体成型的单梁少肋形式，因此很多采用复合材料制造的无人机机翼都采用这种形式。而无人机用复合材料构件的主要结构形式包括复合材料层压板结构、复合材料蜂窝夹芯结构、复合材料泡沫夹芯结构、整体成型复合材料壁板、槽形和凸缘形复合材料梁、管状复合材料状尾撑杆，以及复合材料盒型结构等。

复合材料制造用原材料与成

形工艺的应用与发展

50多年来，复合材料的应用走过了从次承力→主承力→复杂承力整体构件的发展过程，较早地跨入了全复合材料无人机的行列。伴随着多种无人机型号的不断研制与批量生产，爱生公司专业技术人员积极探索复合材料专业发展途径，开展新材料、新工艺研究，在材料应用、设计技术、成型工艺技术、工装设计与制造技术、生产能力建设、设计与工艺规范建立和生产过程质量控制等方面均获得了显著的发展，已逐步形成了具有自身产品特色的复合材料专业研发与制造体系，建立了先进复合材料生产能力，满足了项目研发与生产需要，取得了可喜的成绩。

复合材料构件的力学性能和环境适应性与材料选用、结构设计以及成型工艺密切相关，下面按玻璃钢/复合材料成型工艺方法，以及成型工装技术来总结纤维增强树脂基复合材料在无人机机体上应用与发展的情况。

湿法手糊成型玻璃钢/复合材料工艺

湿法手糊成型工艺的操作和所需条件相对简单且成本较低，但存在浸胶不均匀、树脂含量高、纤维方向不易保证等诸多不足，因而结构的力学性能也不高。该工艺主要用于飞机机体外形、机身梁、尾翼梁、飞机整流件、发动机整流罩等的制造。自20世纪60年代初“靶”-I至2006年某型验证机共数十个型号无人机的研制与生产均采用了该工艺方法，而且至今还用于其中多个型号无人机机体结构的批量生产中。

湿法手糊成型玻璃钢使用由双酚A环氧树脂、胺类固化剂和非活性增塑剂组成的室温固化树脂基体，早期选用的固化剂为乙二胺，由于固化速度快、气味大而在1980年前后被改性笨二甲胺取代，由新固化剂构成的树脂基体在室温下具有较长的使用期，因而较好地满足了复杂结构飞机复合材料壁板构件制造的操作需求。

在增强材料应用方面，长时间内几乎完全使用的是无碱平纹玻璃布，从1988年开始使用高强玻璃布、从1999年开始使用碳纤维布，而且高强玻璃纤维和碳纤维织物的品种也丰富起来，如斜纹高强玻璃布和单向碳纤维布等，从而有效地发挥了复合材料的可设计性。此外，在一些型号的机身结构中还使用了特别制备的隐身玻璃布。

无人机的生产过程中，机身和发动机整流罩的制造直接使用的是“接触压力成型法”，固化过程中无需加压。机身外形多采用刚度好的玻璃钢蜂窝夹层结构的设计形式，对此工艺上也采用了将蜂窝芯与内外蒙皮同时进行胶接的共固化工艺方法。为了保证夹层结构中蜂窝与内外蒙皮（或上下面板）之间的可靠粘接，其固化过程中需要施加一定的压力（如真空压力）。目前采用的工艺为 “密封袋法真空袋成型工艺”，该工艺方法是将塑料真空袋薄膜用密封胶粘接并密封到成型模具周边形成真空袋，然后利用安装在模具上的真空嘴进行抽真空加压。

在某型号无人机玻璃钢蜂窝夹层结构机头罩的成型过程中，还采取了“加压袋成型工艺”，是在封闭的模具中通过充气气囊的方式来为制件提供所需的加压压力；其机身玻璃钢梁的制造采用的是“对合模具模压成型工艺”，以保证梁构件的外形尺寸精度和因含胶量较低而更优异的力学性能。这也表明爱生公司在20世纪80年代末即在主承力结构中尝试采用了玻璃钢/复合材料。

全高度泡沫灌注成型工艺

1996年在某型号的机翼、尾翼研制中，为了无人机结构具有水密性的使用性能要求，设计采用了玻璃钢蒙皮全高度泡沫夹芯填充的结构形式，为此工艺人员开发了“全高度聚氨酯泡沫灌注成型工艺”方法。具体来说，先在模具上成型玻璃钢蒙皮，接着将梁、肋等零件装配到蒙皮上，然后将聚氨酯泡沫灌注到带有蒙皮和梁、肋的封闭模具中。由于机翼内部结构复杂，所以通过直接发泡方式将闭孔泡沫塑料均匀、完全填充到被梁、肋分割成为多个腔室的机翼内部成为该工艺的关键。

预浸料/热压罐或烘箱固化成型工艺

爱生公司于2003年建成了以进口热压罐为主要设备和标准净化间为铺层区的先进复合材料生产与加工条件，具备了独立而完整的先进复合材料制造能力。

1988年即开始使用自制预浸料制造混杂纤维复合材料尾撑杆，当时制备预浸料所使用的是T300碳纤维和高强平纹玻璃布，树脂体系为自主开发的中温固化树脂基体（双酚A环氧与酚醛环氧混合树脂/酸酐钝化2,4-咪唑固化剂）。

而自2003年起，爱生公司拥有热压罐设备系统后，开始自行生产复合材料部件，并且主要材料方面也改为采用英国ACG公司生产的预浸料。而在芯材方面，除Nomex蜂窝作为夹层结构主要使用的芯材之外，在一些型号或结构中也使用聚酰亚胺（PMI）泡沫塑料夹芯材料。

因热压罐设备系统的投资与运行费用昂贵，因而开展先进复合材料低成本化技术的研究与应用是非常必要的。在“非热压罐固化成型工艺”技术（OOA）的研究方面，“预浸料/烘箱真空固化成型工艺”是发展较快、应用较成功的工艺技术。爱生公司工艺人员从2005年起就开始开展了该技术的材料选择与工艺试验工作，取得了可应用的相关技术，并在2013年实际应用于某型号无人机复杂结构复合材料壁板构件的制造。

复合材料成型模具技术

由于复合材料在无人机结构上应用广，因而模具所使用的材料（金属、非金属及其混合体）和结构形式（阴模、阳模、对合模）也呈现出多种多样化。

在20世纪90年代末之前，爱生公司复合材料成型模具主要是通过模线样板法制造的，自2000年以后就几乎完全采用数控加工技术制造复合材料成型用金属模具，其中包括利用铝合金板材加工而成的成型模、利用铸铝毛坯加工而成的成型模、薄壁钢结构成型模等。

对于尺寸较大、结构尺寸精度要求高的整体复合材料构件，一般采用与制件热膨胀系数相当的由预浸料制备的全复合材料成型模具进行制造，该类模具由代木类塑胶板拼制后经数控加工出的母模翻制而成。

结束语

长期以来，纤维增强树脂基复合材料在无人机上取得了较好的应用效果，但随着新型无人机系统对机体用先进复合材料与结构以及功能性提出的新要求，同时面对用户的更高使用要求和监管机构对无人机产品不断发展的控制与适航要求，爱生公司无人机结构复合材料的应用存在亟待解决的新研究课题，需要形成设计、工艺、制造更加一体化的科研机制。主要包括无人机复合材料结构强度设计规范的制定、复杂部件结构整体成型工艺、低成本制造技术、隐身特性等功能性复合材料技术的应用、机体结构复合材料制品的损伤评估与维修技术、满足适航认证要求的复合材料构件制造全过程的质量控制等。 ■