航空复合材料整体成型技术的应用

◎张应南

复合材料整体成型技术的应用可以将原本由几十或者几百个构件构成的结构简化为几个部分，这不仅会缩短生产加工零部件的时间，也可提升航空器装配的速度，同时也会在一定程度上减少航空制造的成本。从国内外的航空制造发展现状来看，复合材料已经被成功应用到机身和机翼部位的制造生产环节，且已经成功制造出787飞机、和B2轰炸机等。可见，复合材料整体成型技术在航空制造领域的应用具有较好的应用前景，值得我们深入研究。

一、复合材料整体成型技术的应用优势分析

复合材料在实际生产应用中，呈现出逐步向大型化发展的趋势，在实际应用中，大型化构件为制造装配提供了较大的便利，同时也可避免在装配过程中由于装配质量问题所引发的安全隐患。现就该技术的应用优势进行分别探讨：

1.具备一定的经济优势

整体成型技术实际上就是借助共固化、二次胶接等方式，将多个零部件形成整体结构，缩短零部件装配操作的时间，同时也可省去对接的环节，使结构内的分段数量减少。在进行复合材料成本核算时，是将单位质量作为主要的核算标准，为此，采用整体成型技术，使其自身的质量减轻时，也必定会减少复合材料的生产成本。

2.增强装配效率与质量

在原有的航空制造中，因机身结构较为复杂，在进行装配施工时，可以需要几十万个紧固构件，这为装配人员带来了较大的作业负担，同时进行质量监督与管理时也存在一定的难度，很难保障对每个装配构件质量的管理，致使存在一定的质量风险。而复合材料的整体成型技术则可以将几十万的坚固构件缩减至几百个或者几千个，具体要根据装配部位的结构形式来确定。坚固构件的减少必定会省去大部分的装配时间，可以有效提升装配效率与质量。在一些承力部位的机械连接操作中，所采用的紧固构件以钛合金紧固件为主，相对来说投入成本较高。另外，在进行装配施工时，需要借助专用的工具进行钻孔操作，对于钻孔的质量和精度要求较高，这也会产生大量的人工成本投入。此外，装配过程中，应采取湿化装配方法，以免出现电化腐蚀的现象，但相比与其他装配方法，湿装配的成本投入较高。采用复合材料整体成型技术则可以有效减少上述操作，起到控制装配成本的作用。

3.实现翼身融合

翼身融合就是将机翼和机身融为一体，进行整体结构设计和整体制造。由于复合材料整体成型技术的发展，使得翼身融合设计更易实现。如美国的无人作战飞机X45-A，即采用高度翼身融合体的无尾式飞翼布局，复合材料占机体结构的比例超过50%，大部分构件由整体成型技术制成；另外无人作战飞机X-47A采用高度翼身融合体的无尾飞翼式布局，全机结构由复合材料，全机结构由复合材料制成，沿中轴线上下分4大块制成，充分发挥了复合材料整体成型的技术优势。

二、复合材料整体成型的主要方法

共胶接。共胶接也叫胶接共固化，是指一个或多个已经固化成型与另一个或多个尚未固化的预成型件通过胶粘剂，在一次固化工艺中固化并胶接成1个整体制件的工艺方法；共固化。共固化是指2个或2个以上的预成型件经过同一固化一次固化成型为一个整体构件的工艺方法；二次胶接。二次胶接是指将2个或多个已固化的复合材料零件通过胶接而连在一起的工艺方法。二次胶接工艺方法的优点在于：二次胶接无应力集中现象，提高结构的疲劳寿命；二次胶接不需要钻孔，结构完整性好，密封性能好；零件分次固化，工艺风险小。

三、复合材料整体成型技术在我国航空领域中的应用

在复合材料应用范围逐渐增大的基础上，其在航空制造中的作用也越来越突出，已经由最初的非承力构件制造，转变为在承力构件制造中的应用，同时整体成型技术的推出，也为其在航空制造中的推广与应用奠定了良好的基础。一些较为先进的复合材料已经被成功应用到我国所设计的军民飞行器上，主要应用部位有水平安定面、升降舵以及机翼等重点结构部位。在技术不断完善的技术上，已经实现了各类构件的批量化生产与应用，不仅能够提升复合材料的应用水平，也可进一步提升制造效率。

整体成型技术在我国航空制造中的应用主要表现在机身、球面框、机翼、平尾和鸭翼等部位。实际制造生产中，在各类结构中发挥了突出的应用优势，不仅可以减轻结构重量，还可以缩短施工周期，使航空制造的效率得到显著提升。复合材料整体成型技术在应用过程中总结出了较为完善的施工经验，且借助多种整体成型技术实现了壁板、加筋工件的加工制造，对于一次曲型结构也可采用复合材料进行加工生产。

另外，研发团队开发了可实现"零吸胶、常温加压"工艺的环氧和双马来酰亚胺预浸料，突破了大尺寸/整体化复合材料构件成型时温差大、加压窗口对构件质量影响的技术瓶颈，为大尺寸/整体化复合材料构件的制造奠定了基础。当然，和欧美等发达国家相比，我国航空复合材料整体成型技术的运用相对较少，工艺技术水平相对较低，自动化水平相对低下，制件质量及性能有待提升，研制成本相对较高。为了应对航空制造业的发展要求，应该大力开展整体成型技术的相关研究，以实现复合材料整体成型技术的跨越式发展。

结语：航空复合材料构件逐渐向整体化发展已经成为必然趋势。一方面整体化和大型化能更好发挥复合材料的优点和特点，能够进一步减轻质量，提高构件质量，减少紧固件数量，降低装配成本；同时，复合材料的设计和制造特点也便于实现构件的整体化。在航空产品中使用复合材料整体化技术所带来的效益已获得广泛共识，整体化成型技术所运用的工艺方法也越来越多，越来越趋向自动化，如自动铺丝、自动铺带技术的运用。