分解空客A350的复合材料构件制造
分解空客A350的复合材料构件制造
2014-03-10二当家碳纤维体验馆
A350是迄今为止被认为复合材料用量占全机结构重量比例最大的一种客机，其复合材料结构重量占全机结构重量52%，超过了波音787复合材料结构重量比例的50%。由于复合材料构件都比较大，质量要求更加严格，在设备上、工艺流程上也带来了许多新的要求，本文即对该飞机的复合材料大型构件的制造进行阐述。
机身的复合材料构件制造
A350的机身如图1所示，机头段（11~12段）和机身前段（13~14段），联接后称为前机身；15段为机身中段，又称中机身；16~18段为含压力框的整段，合称机身后段，其与桶形后
罩（19段）联接后称为后机身。机身直径为5.89m，在A350-900上，3段分别长13m （13~14段）、20m（15段）和15m（16~18段）。其中，机身中段（15段）如图2所示。
1 中机身[2]
中机身，由6个复合材料板件、地板和隔框等构件构成。该板件由Spirit AeroSystems 制造。ElectroImpact公司为Spirit 公司设计制造了专用于A350机身板件铺放的双头自动纤维铺放机，该机不但可完成铺放，而且可执行切割动作，能够完全双向铺倾斜且复杂的表面，进给速度达50.8m/min。大型机身壁板铺
丝速度要求高，该机床通过新的设计实现了切割，优化进给、丝束路径等的需要。
机床在殷纳钢阳模上铺Hexply M-21E碳纤维/ Hexcel增韧环氧预浸料。所有的15段壁板包含有整体的CFRP桁条，该桁条是采用悬臂类AFP机床制造的二维夹层件（采用MTorres桁条铺设设备铺设）。桁条铺设后放在复合材料壁板槽内，在热压罐（长为24.4m、宽为6.7m）中进行共固化。
MTorres公司还为Spirit公司提供2台高5m、长15m的Torresonic UT柱形超声检测设备，该设备上装有Kuka Roboter GMBH(Ausburg德国)的机器人装置，可同时检测机身壁板的内外蒙皮。检测完成后，装上防雷击的外部铜网，与ESN（电结构网络）连结，然后将复合材料壁板连接到机身框上。
大部分机身框为铝合金制造（1000型部分隔框正考虑用新工艺BRaF编织结构制造复合材料隔框）。此外，舱门椽为钛合金，框和椽使用自动设备连接。
2 前机身[2]
13~14段由4个复合材料板件加上地板构件、隔框等构成（图3）。该复合材料板件由德国Nordenham的premium Aerotec 空客公司生产。这4个13m长复合材料板件，其所用材料，技术标准、工艺方法与15段相同，只是尺寸不同。最大的是前机身右侧板件，面积为93m2。4个板件和地板构件组合后进行超声、修正、钻孔，完成机加工序后运到Saint-Nazaire工厂，与在法国Aerolie制造并运到此处的机头部件（11~12段）对合成为前机身，图4为机头部分（11~12段）。
该机头在法国的空客Aerolia工厂制造，Aerolia为制造该机头，建立了5个制造区：1个530m2的铺层清洁间；一个7m×14m 的热压罐；一条表面处理生产线；超声检验区；装配区。
11段是铝结构，12段是复合材料结构，其铺设见图5。
3 后机身[2-3]
机身16~18段在德国的Ausburg生产，也是4个复合材料板件组合，工艺流程基本和中机身一样。汉堡是空客A380主要部件的生产区，有强大的复合材料构件制造能力。在汉堡完成系统件安装后也运到法国到图卢兹总装厂。
19段在西班牙的Illescas生产。后机身段（16~18段）与后机身桶子段（19段）对接成后机身。后机身桶子段和波音787机身生产方法类似，在纤维铺放机上铺设。
后机身的压力框和地板构件均在德国的空客Aerotec工厂生产。压力框用CFRP制造，其工艺方法VAP(Vacuum Assisted Process)是一种抽真空渗渍工艺。这是该公司发展并取得专利的
一项专用于制造压力框的技术，已在A380、A400M和波音787中使用。其特点是将纤维布剪裁缝合或纤维丝编织成产品形状，铺放在工装上进行密封，将外部的树脂熔化，真空抽入，开发了一种专用的微孔薄膜，隔离空气，可进热压罐也可不进热压罐，是制造出的产品孔隙率低，纤维含量高的一种工艺方法。这也属于热压罐外固化（Out of Autoclave，OOA）工艺的一种。
机身龙骨梁虽然主要受力件用了钛合金结构，但该梁尺寸为16.6m×4.0m，重为1180kg，复合材料件仍占70%。
机翼的复合材料构件制造[2-4]
1 前翼梁制造
A350的前翼梁是长为31.2m的结构件，是Spirit公司制造的最大的梁，也是Spirit公司制造的第一个全复合材料梁，该梁从翼根到翼尖由3部件组成，即长为7m的内侧梁、长为12.7m 的中梁和长为11.5m的外侧梁。梁的制造是采用100层碳纤维增强塑料，从内侧梁根部的宽1.8m处逐渐过渡到外侧梁翼尖的宽0.3m处。
M Torres公司是Spirit开发梁生产能力的关键合作伙伴。公司的自动纤维铺放系统相比于普通台架式或柱式机床具有更大
柔性和生产率。据报道，这些AFP系统铺设速度高达60m/min，
远高于以前的速度，使梁生产工艺经济可行。M Torres公司已经向GKN航宇公司交付一台类似设备，用于生产A350后翼梁。这些机床是为实现沿着梁的边缘严格的U形几何形状而开发的，因为在按45°角铺设到90°弯角时，梁的边缘容易产生许多问题。机床头还可以承受高温和更大压力，适用于低粘度Hexply材料，即用于铺叠与机身壁板的同样M21-E增韧环氧预浸料。每台M Torres机床可以同时在殷钢芯轴上铺2个长为15m的梁，然后转移到热压罐中进行固化。
固化梁要使用自动台架TORRESONIC UT检测仪进行质量检查，该检测仪的检测范围长为15m，宽为2 m。MTorres公司制造框架和装上通用机器人，机器人由德国Kuka Roboter GMBH (Ausburg 德国)公司提供，电子设备由Techaton(Madrid 西班牙)供应。完成的梁部件运到Spirit公司位于苏格兰的Prestwick工厂，3段连接到一起，并与固定前缘和其他定位装置对接，然后交付完整的前缘组件给空客的Broughton工厂进行机翼总装。
2 后翼梁制造
后翼梁在GKN（Reddich Worchester英国）生产，MTorres 公司提供了类似设备。由于该梁要和固定后缘对接，并要承当来自动翼的力，该公司除了制造梁以外，还负责将GE公司制造的
固定机翼后缘（FTE）固定到后梁上。并进行最后检验，合格后重新将固定后缘分解，以便运输。
后梁包括3段，每段长为10m，最重要的是内侧的那段梁，重约500kg,其根部层压达25~30mm厚，中段梁重为150kg，最外的一段重为100kg。
每段梁都用纤维铺放机铺设，用殷纳钢模具。桶形的，固化后切成2个C形梁。材料是Hexcel的碳纤维环氧预浸料M-21E。带宽为16px。前面已经提到所用铺放机也是M.Torres提供的，五坐标自动控制，模具固定在转动心轴上铺设。机器可按要求自动控制铺放厚度。铺设完后的热压罐固化和检验同前梁一样。
3 机翼上板件制造
机翼上部蒙皮在空客德国汉堡总部所属的空客Stade工厂生产，此处工房面积为30000m2,不但可铺碳纤维带，还第一次开发了玻璃纤维的铺设，该机翼板件31.6m×5.6m,所用热压罐是当前世界上技术最先进直径最大者之一，能同时固化2个板件。该热压罐据说直径是8m,而空客在制造A380时所用热压罐直径为6m。
除铺制机翼板件蒙皮外，该厂还生产用于该板件的长桁，为此该厂建了一条140m的生产线。在质量控制方面，引进了适用于该板件CFRP内外表面同时检查的的检查系统。对边缘的修整用水切割。在工房里建立了自动运输系统。
该全套设施也用于A350垂尾的制造。
4 机翼下板件制造
机翼下板件在西班牙Illescas 生产，所用技术条件、标准、工艺流程、设备与上板件一致。
上下机翼板件完工后均运至Broughton（英国）进行机翼装配。 Illescas还同时生产A350机身19段。
5 机翼固定后缘制造
机翼固定后缘由GE公司生产。后缘是蜂窝结构，原用Hexply8552预浸料胶接蒙皮和Hexcel蜂窝芯子Hexweb
HRH-36,该芯子由Hexcel下料机加后交到GE公司。现在UMECO公司根据GE的要求开发了OOA的MTM-44-1预浸料，该新材料的特点是密度低，预制品密封袋装好后，抽真空并加温，130℃时开始固化，180℃时固化完成。挥发气少、孔隙率低。由于不需加压，可以不进热压罐，节约造价。
6 机翼前缘制造
机翼前缘在英国苏格兰 Spirit Aerosystems Europe的普雷斯蒂克工厂设计制造，部份零组件安排在其在马来西亚Subang 工厂生产（如下板件）。该前缘长接近32m,其中50%是碳纤维构件。
7 中央翼制造
中央翼由EADS在Nante（法国南特）的工厂生产，40%的碳纤维（CFRP）件。翼盒长为6.5m，高为3.9m,表面面积为36m2,其板件是Nante生产过的最大复合材料件。技术标准、工艺流程、工艺方法基本和机翼部分一致。中央翼完工后运至法国St Nazaire,在那里和机身对接。
8 襟副翼制造
襟副翼也主要是复合材料结构。GKN公司承担为A350制造襟翼，该合同在德国幕尼黑签订。GKN又将承包的外襟翼转包给荷兰Stork Fokker公司生产，Fokker公司在Papendrecht制造外襟翼。内襟翼即由GKN在Bremen生产。
9 尾翼制造
空客德国Stade分部承担了A350尾翼的设计工作，并承担垂直尾翼的制造。尾翼整个是以碳纤维（CFRP）为主。Stade
拥有强大的复合材料构件制造能力，除承当A350机翼上板件生产外还有足够的实力（包括设备）来完成垂尾制造计划。西班
牙的 Puero Real于2011年开始制造A350的水平尾翼，该处
拥有强大的自动钻孔设备和铺放能力以及无损检测能力。
尾翼的方向舵，升降舵即通过西班牙安排在哈尔滨哈飞与空客合资的企业生产。该合资公司配备了铺带机及有关的检验设备。
结束语
A350的制造分工比较复杂，其第一供应商参与总体设计并
承包分工部件的整个部件设计，除自己承当部分制造任务外还将部分制造工作外扩到第二承包商，甚至还有第三承包商，但第二承包商以下都不再有设计权限。
总的情况是前机身在德国总成，中机身在美国总成，后机身也在德国总成，机翼在英国总成，尾翼在西班牙总成，中央翼在法国总成，这些总成单位就是当然的第一承包单位。最后都交到法国图鲁兹进行总装配。
总之，复合材料在飞机上的应用正日益增大，A350中52%的占有量虽是空前，但决非绝后。A350在铺带铺丝工艺上比
A380又有许多突破。从当前复合材料构件制造来看，全工艺过程必须紧紧抓住铺放（铺带或铺丝）、机加铣切、钻孔、无损超声几个主要环节，缝合技术在机身后压力框等部件中已开始采用。随着A350-1000型的开发还正在研究一些更新的技术使用。
值得一提的是，空客还在考虑继续扩大复合材料使用范围，例如将发展的1000型，总长将比900型长7m,要增加 11个隔框。要减少由于增加隔框而相应增加过多重量，他们准备用BRaF (Braided Frame）即隔框编织法来制造这些复合材料隔框。其过程就是将干纤维带通过编织预成型件和机身直径相同的预成型件，然后注树脂，固化后修正成为框的成品，而不再通过预浸带来铺设。此外还在研究用FPP（Fiber PatchPerform）,是一种干脆用纤维丝束小片的预成型法，它通过机械手来安放微小的补片，注入树脂制造零件，并用于零件（如窗口边缘）的局部加强，下一步计划是准备用于制造复合材料长桁的预成型件，使重量更轻、成本更低。而有关这些新技术所需新设备的充实和现代化又是个重要问题。
复合材料的界面改性
界面及界面改性方法 界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用；但界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。 在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。 1、聚合物基复合材料界面 界面结合有机械粘接与润湿吸附、化学键结合等。 大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。 偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。增强剂本身一般不与基体材料反应。 聚合物基复合材料界面改性原则： 1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。２）适度的界面结合强度 ３）减少复合材料中产生的残余应力 ４）调节界面内应力和减缓应力集中 聚合物基体复合材料改性方法 １、颗粒增强体在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂(增容剂)，则能使液晶微纤与基体间形成结合良好的界面 ２、纤维增强体复合材料界面改善 a)纤维表面偶联剂 b)涂覆界面层 c)增强体表面改性 2、金属基复合材料界面 金属基体在高温下容易与增强体发生不同程度的界面反应，金属基体多为合金材料，在冷却凝固热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。 金属基复合材料界面结合方式有化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。 金属基体复合材料的界面有3种类型：第一类界面平整、组分纯净，无中间相。第二类界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。 金属基复合材料的界面控制研究方法： 1）对增强材料进行表面涂层处理在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。 2）选择金属元素改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素 3）优化制备工艺和参数金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。 3、陶瓷基复合材料的界面 陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料。增强体包括金属和陶瓷材料。界面结合方式与金属基体复合材料基本相同，有化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种结合方式同时存在。 陶瓷基体复合材料界面控制方法
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航空航天复合材料技术发展现状 2008-11-25 中国复合材料在线［收藏该文章］ 材料的水平决定着一个领域乃至一个国家的科技发展的整体水平；航空、航天、空天三大领域都 对材料提出了极高的要求；材料科技制约着宇航事业的发展。 固体火箭发动机以其结构简单，机动、可靠、易于维护等一系列优点，广泛应用于武器系统及航 天领域。而先进复合材料的应用情况是衡量固体火箭发动机总体水平的重要指标之 一。在固体发动机研制及生产中尽量使用高性能复合材料已成为世界各国的重要发展目标， 目前已拓展到液体动力领域。科技发达国家在新材料研制中坚持需求牵引和技术创新相结合，做到了需求牵引带动材料技术发展，同时材料技术创新又推动了发动机水平提高的良性发展。 目前，航天动力领域先进复合材料技术总的发展方向是高性能、多功能、高可靠及低成本。 作为我国固体动力技术领域专业材料研究所，四十三所在固体火箭发动机各类结构、功能复合材料研究及成型技术方面具有雄厚的技术实力和研究水平，突破了我国固体火箭发动 机用复合材料壳体和喷管等部件研制生产中大量的应用基础技术和工艺技术难关，为我国的 固体火箭发动机事业作出了重要的贡献，同时牵引我国相关复合材料与工程专业总体水平的 提高。建所以来，先后承担并完成了通讯卫星东方红二号远地点发动机，气象卫星风云二号 远地点发动机，多种战略、战术导弹复合材料部件的研制及生产任务。目前，四十三所正在 研制多种航天动力先进复合材料部件，研制和生产了载人航天工程的逃逸系统发动机部件。 二、国内外技术发展现状分析 1、国外技术发展现状分析 1.1结构复合材料 国外发动机壳体材料采用先进的复合材料，主要方向是采用炭纤维缠绕壳体，使发动机质量比有较大提高。如美国“侏儒”小型地地洲际弹道导弹三级发动机（SICBM-1 、-2、- 3 ）燃烧室壳体由IM-7炭纤维/HBRF-55A 环氧树脂缠绕制作，IM-7炭纤维拉伸强度为 5 300MPa , HBRF-55A 环氧树脂拉伸强度为84.6MPa，壳体容器特性系数（PV/Wc ）＞3 9KM ;美国的潜射导弹“三叉戟II （D5 ）”第一级采用炭纤维壳体，质量比达0.944，壳 体特性系数43KM，其性能较凯芙拉/环氧提高30% 国外炭纤维的开发自八十年代以来，品种、性能有了较大幅度改观，主要体现在以下两个方 面：①性能不断提高，七、八十年代主要以3000MPa的炭纤维为主，九十年代初普遍使用 的IM7、IM8纤维强度达到5300MPa,九十年代末T1000纤维强度达到7000MPa,并已开始工程应用；②品种不断增多，以东丽公司为例，1983年产的炭纤维品种只有4种，至U 1995 年炭纤维品种达21种之多。不同种类、不同性能的炭纤维满足了不同的需要，为炭纤维复合材料的广泛应用提供了坚实的基础。 芳纶纤维是芳族有机纤维的总称，典型的有美国的Kevlar、俄罗斯的APMOC,均已在多 个型号上得到应用，如前苏联的SS24、SS25洲际导弹。俄罗斯的APMOC纤维生产及其应 用技术相当成熟，APMOC纤维强度比Kevlar高38%、模量高20%，纤维强度转化率已达到75%以上。PBO纤维是美国空军1970年开始作为飞机结构材料而着手研究的产品，具有刚
高中化学 4.3 复合材料的制造先进复合材料主要生产工艺介绍素材1 苏教版选修2
先进复合材料主要生产工艺介绍 先进复合材料，具有轻质、高强、高模量、良好的抗疲劳性、耐腐蚀性、可设计性突出、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空航天及工业结构材料，在航空产品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在飞机上的应用。一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。本文着重介绍复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺。 复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要取决于成型固化工艺。所谓成型固化工艺包括两方面内容，一是成型，这就是将预浸料根据产品的要求，铺制成一定的形状，一般就是产品的形状。二是进行固化，这就是使已经铺制成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素下使形状固定下来，并能达到预计的使用性能要求。 复合材料及其制件的成型方法，是根据产品的外形、结构与使用要求，结合材料的工艺性来确定的。目前，已在生产中采用的成型方法有： 1、手糊成型--湿法铺层成型 2 、真空袋压法成型 3、压力袋成型 4、树脂注射和树脂传递成型 5、喷射成型 6、真空辅助树脂注射成型 7、夹层结构成型 8、模压成型 9、注射成型 10、挤出成型 11、纤维缠绕成形 12、拉挤成型 13、连续板材成型 14、层压或卷制成型 15热塑性片状模塑料热冲压成型 16离心浇注成型 本文主要介绍几种常用的工艺方法 1、手糊成型 手糊成型是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是先在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子挤压织物，使其均匀浸胶并排出气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度。然后在一定压力和温度下加热固化成型，或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型，最后脱模得到复合材料制品。 手工铺贴方法的优点是可使蒙皮厚度有大的变化，进行局部加强，嵌入接头用的金属加强片，形成加强筋和蜂窝夹芯区等。手工铺层的缺点是生产效率低、成本高，不适应大批量生产和大型复杂复合材料制件的生产要求。 目前，手工铺层使用了许多专用设备来控制和保证铺层的质量，如复合材料预浸料自动剪裁下料系统和铺层激光定位系统等，即采用专门的数控切割设备来进行预浸料和辅助材料的平面切割，从而将依赖于样板的制造过程转变为可根据复合材料设计软件产生的数据文件进行全面运作的制造过程。 2、挤出成型 挤出成型又称为挤塑，在加工中利用液压机压力在模具本身的挤出称压出。是指物料通
复合材料制造工艺
复合材料制造工艺 第一章概述 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把材料、信息、能源作为社会文明的支柱；80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料与信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料是国民经济建设、国防建设与人民生活所不可须臾缺少的重要组成部分。复合材料作为材料科学中一枝独立的新的科学分支，已经得到了广泛的重视，正日益发展并在许多工业部门中得到广泛运用，成为当今高科技发展中新材料开发的一个重要方面。 鉴于材料的重要的基础地位和作用，每一次科学技术的突飞猛进，都对材料的性能提出了越来越高、越来越严和越来越多的要求。现如今在许多方面，传统的单一材料已经不能满足实际需要，在这种情况下，人们以其充满智慧的头脑将材料的新的发展方向伸向一个更加广阔的领域——复合材料。 本文就将对复合材料的基本概念、加工中的理论问题、制备工艺与方法和典型的应用加以阐述，希望能够比较全面的对复合材料做一个介绍。 首先我们来给复合材料下一个明确的定义。根据国际标准化组织（International Organization for Standardization, ISO）为复合材料下的定义，复合材料（Compose Material）是由两种或者两种以上物理和
化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的组份材料虽然保持其相对独立性，但是复合材料的性能却不是组份材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。在复合材料中通常有一相为连续相（称为基体），而另一相为分散相（增强材料）。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的。两相之间存在着相界面，分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，按照需要设计，复合成为综合性能优异的新型材料。可以预见，如果用材料作为历史分期的依据，那么，继石器、青铜、铁器、钢铁时代之后，在21世纪，将是复合材料的时代。 在概述的余下一些篇幅中，我们来大致了解一下关于复合材料的一些基本内容。 一、复合材料的命名和分类 复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上“复合材料”即为材料名。为书写简便，也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称，中间加一条斜线隔开，后面再加“复合材料”。有时为了突出增强材料或者基体材料，视强调的组份不同也可将不需强调的部分加以省略或简写。 复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种：
飞机用复合材料的低成本制造设备及工艺
FORUM 论坛 航空制造技术年第期 飞机用复合材料的低成本制造 设备及工艺 中国航空工业发展研究中心 陈亚莉 本文分析了复合材料低成本制造工艺及设备。指出在 降低复合材料成本方面，制造技术有着广泛机遇，其关键是自动化设备。在低成本工艺方面，非热压罐技术潜力巨大，代表着未来的发展方向。 Low -Cost M anuf act ur i ng Equi pm ent and Pr ocess of Com posi t es f or A i r cr af t 波音787已开始交付用户，A 350的格局已定，A320和波音737将重新换发，F-35正进入20年生产初期。飞机将成为下一个10年制造的主角，且将不再是以金属为主要结构的装备。材料系统的选择以及结构设计业已确定，金属及复合材料之间的平衡也已肯定下来。在这种情况下，制造技术将进一步提高生产效率和降仍有待改进。例如花大量时间来置 入紧固件，由于紧固件类别不同，需要一方面看图纸，在蒙皮上做标记，然后再将紧固件置入蒙皮。 飞机复合材料结构正在开发一系列缩短周期、降低成本的先进技术。例如，从三维设计数据库中自动取出零件的几何尺寸数据是飞机制造商的优先项目。当飞机产量大或要求制造精度高时，需要自动化设备进入生产车间进行铺层、切削加工、钻孔及在生产线上进行检验。 铺层自动化 对于复合材料制造来说，自动化是关键。碳纤维可提供所需的性能改进，但产量必须提高，成本才能降低。波音787、A 350以及F -35投产时就必须提高生产率。随着从手工铺层到自动化铺层，碳纤维在模具上的铺层就成了关键性的推手。 低成本，即使材料及结构方面大的决策已定，在制造方面仍有充分的改进空间。 由于空客及波音已将下一代窄体飞机推迟到2020年以后，复合材料与金属材料之争已冷却下来，即使 这样，先进材料及制造技术的发展仍 有机遇，只是不同飞机的机遇不同罢了。 例如，对于A 320neo 和波音737MAX 这样的飞机，要改变材料的 机遇有限，而结构及技术仍将采用标准形式。但对于A 350-1000以及787-10仍有更多的机遇采用新的制造技术。目前仍处在设计中的波音777X 有可能做更多的变化，例如，采用碳纤维复合材料机翼。这些飞机 在结构及材料决定之后，仍有大量降低及减重以及工艺改进工作。又如，F-35仍在开发中，重点放在制造改进上， 大量的手工劳动以及质量问题 陈亚莉中国航空工业发展研究中心研究员。长期从事航空材料情报研究工作， 曾获先进国防科技情报工作者等称 号。 44 201219
现代大飞机复合材料应用与制造技术浅析
现代大飞机复合材料应用与制造技术浅析 发表时间：2019-05-05T15:40:13.587Z 来源：《基层建设》2019年第4期作者：宋慧[导读] 摘要：由于复合材料具有比强度高、比刚度大、可设计性强及良好的抗疲劳损伤性能和耐腐蚀性能的优点，大批飞机零、部件相继采用复合材料，并且采用复合材料的部位、面积和重量也日趋增加。 沈阳飞机工业（集团）有限公司辽宁沈阳 110850 摘要：由于复合材料具有比强度高、比刚度大、可设计性强及良好的抗疲劳损伤性能和耐腐蚀性能的优点，大批飞机零、部件相继采用复合材料，并且采用复合材料的部位、面积和重量也日趋增加。将先进复合材料应用于飞机结构中可相应减重20％～30％，这是其他先进技术很难实现的效果。复合材料已成为铝、钢、钛之后，迅速发展的四大航空材料之一，所占比例也越来越高，在民用飞机上获得了大 量应用。基于此，本文主要对现代大飞机复合材料应用与制造技术进行分析探讨。 关键词：现代大飞机；复合材料应用；制造技术前言 复合材料工艺技术的发展为实现民用飞机大部件的整体设计与整体制造提供了可能，使得飞机结构零部件的数量大大减少，提高了飞机的生产效率和可靠性。目前采用复合材料取代金属和非金属等常规材料制造结构件已经成为世界民机制造业的主流趋势，这对中国自主研制的大型民用飞机的市场竞争力提出了严峻的考验。 1复合材料在大型民用飞机中的应用复合材料呈多层次结构，其复杂程度远高于金属材料，大型结构件的整体成型和集成制造使得问题更加复杂化，因此其在大型民用飞机上的应用历经坎坷。波音B757和波音B767中复合材料占总质量的4％；波音B777和空客A340中复合材料的质量分数上升到11％和14％；对于空客A380，复合材料的质量分数为25％；对于代表当今世界民用飞机制造技术最高水平的波音B787和空客A350，复合材料的质量分数高达50％和52％。 可以说，先进复合材料质量占飞机结构总质量的多少，在某种程度上已经成为评价该飞机技术先进程度和市场竞争力的重要指标。从国外的情况来看，复合材料在大型民用飞机结构中的应用主要表现为如下发展趋势。 1.1复合材料在大型民用飞机中所占质量分数越来越大 以空中客车公司为例，复合材料占飞机结构的质量分数从A310—300机型的5wt％，上升到A380的25wt％，再到A400M的35wt％，在A350飞机上这一质量分数高达52wt％，第一次实现了复合材料的用量超过了金属材料的用量，被称为“塑料飞机”。 1.2复合材料被大量应用于主承力结构 复合材料最初应用于飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构，随着材料性能的不断提高，目前复合材料已经被广泛应用于机身机翼等主承力结构。空中客车A380的中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等大量主承力结构都采用碳纤维复合材料。 1.3由复合材料制造的复杂曲面结构件越来越多 复合材料在复杂曲面结构件上的应用存在一定的挑战性：（1）受制于制造变形的问题；（2）在铺层设计方面也具有较大的难度。大量先进制造工艺的出现使得由复合材料制造的复杂曲面结构件越来越多，如A380机身19段和球面后压力框等具有复杂曲面的大尺寸受力部件，分别采用复合材料纤维自动铺丝技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。 1.4飞机结构件的制造向整体成型和共固化方向发展 复合材料之所以在大型民用飞机中所占质量分数不断提高，甚至能够取代金属材料大量应用于飞机结构件的制造，不仅仅是因为其轻质高强的特点，更重要的是因为复合材料易于集成制造，从而可实现大型构件的整体成型。复合材料结构件的共固化和整体成型技术能够显著减少零件和紧固件的数量，缩短生产周期，减少制造和装配工时，大幅度降低生产成本。 2大型飞机复合材料制造技术（1）复合材料成本过高仍是制约飞机结构大量应用复合材料的主要障碍，造成成本下不来、用量上不去的状况。复合材料成本的70％以上来自制造工艺，因此，低成本的制造技术仍是复合材料发展中亟待解决的关键问题。目前，国外复合材料最新的制造理念是整体制造（即尽量将复合材料设计成整体结构），采用诸如像自动铺放、共固化或共胶接等技术实现整体制造。在满足结构总体性能要求的前提下，复合材料整体成型技术的意义在于可以通过减少零件数目、紧固件数量和协调／连接装配工作量进一步减轻结构重量，降低成本（尤其是制造成本）。同时，由于相应钉孔数量下降，可改善结构的承载能力，采用整体成型技术还可以减少分段、对接、间隙和台阶，使机体表面光滑，降低RCS值，提高隐身性能。 （3）采用自动铺放技术可显著降低具有复杂形状复合材料构件的制造成本。最早的自动铺放技术研究始于复合材料机身的制造，由于采用缠绕技术制造机身时缠绕张力使凹面产生缝隙，并使纤维滑移而偏离原来位置，且传统的缠绕工艺无法有效改变厚度，纤维铺放技术解决了上述问题，在大型复杂型面上铺放和压实连续预浸纤维，使得纤维在芯模上的铺放完全在无压力状态下进行；铺放预浸带时可按要求调整其宽度，还能通过加热或冷却调节其粘度，自动铺放精度可达0．005ram。自动铺放（ATL／AFP）自动化制造技术可以提高制件质量和工艺效率，减少零件数量，降低制造及装配成本，目前该技术已得到广泛应用。 （4）自动铺带适用于尺寸较大，曲率相对较小的零件，如整体壁板类零件、大梁、长桁等，而纤维自动铺放适用于尺寸较大，形状相对较复杂的零件，如机身段、进气道等。目前哈飞集团已经引进了自动铺带设备，下面以自动铺带为例，简要介绍机翼整体壁板的制造流程。大型飞机机翼整体壁板结构尺寸较大，不适于手工制造，只能采用自动铺带制造技术。整体壁板分为包括横、纵向加强筋的格栅式整体壁板和只包括横向加强筋的整体壁板。加强筋还分为工字形、T形等结构形式，带有工字形加强筋的格栅式整体壁板成型最为复杂，而只带有横向T形加强筋的整体壁板相对较易制造，但无论采用何种形式，其制造流程基本是一致的。 3结语 （1）波音和空客公司在波音787和空客A350上大量使用复合材料的事实表明，复合材料结构不仅减轻了飞机的结构质量，而且改善了飞机的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，降低了飞机的维护费用，大幅度提高了民用飞机的经济性、舒适性和环保性，成为现代大型客机先进性和市场竞争力的标志。
航空航天领域先进复合材料制造技术进展
专题研究 Feature 72 纺织导报 China Textile Leader · 2018 产业用纺织品专刊 参考文献 [1] 李俊宁，胡子君，孙陈诚，等. 高超声速飞行器隔热材料技术 研究进展[J]. 宇航材料工艺，2011，41（6）：10－13. [2] GRITSEVICH I V, DOMBROVSKII L A, NENAROKOMOV A V. Heat transfer by radiation in vacuum shield insulation of spacecrafts [J]. Thermal Processes in Engineering, 2013, 5（1）: 12－21. [3] 沈学霖，朱光明，杨鹏飞. 航空航天用隔热材料的研究进展[J]. 高分子材料科学与工程，2016，32（10）：164－169. [4] KIM J, LEE J H, SONG T H. Vacuum insulation properties of phe-nolic foam[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55（19－20）: 5343－5349. [5] BHEEKHUN N, ABU TALIB A R, HASSAN M R. Aerogels in aerospace: An overview[J]. Advances in Materials Science and En-gineering, 2013, 406065. [6] WANG X, DING B, SUN G, et al. Electro-spinning/netting: A stra-tegy for the fabrication of three-dimensional polymer nano-fiber/nets[J]. Progress in Materials Science, 2013, 58（8）: 1173－1243.[7] SI Y, YU J, TANG X, et al. Ultralight nanofibre-assembled cellular aerogels with superelasticity and multifunctionality[J]. Nature Com-munications, 2014, 5: 5802. [8] GBEWONYO S, CARPENTER A W, GAUSE C B, et al. Low th-ermal conductivity carbon fibrous composite nanomaterial enab-led by multi-scale porous structure[J]. Materials & Design, 2017, 134: 218－225. [9] ZHENG H, SHAN H, BAI Y, et al. Assembly of silica aerogels wi-thin silica nanofibers: Towards a super-insulating flexible hybrid aerogel membrane[J]. RSC Advances, 2015, 5（111）: 91813－91820. [10] SHAN H, WANG X, SHI F, et al. Hierarchical porous structured SiO 2/SnO 2 nanofibrous membrane with superb flexibility for mole-cular filtration[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2017, 9（22）: 18966－18976. [11] KOBAYASHI Y, SAITO T, ISOGAI A. Aerogels with 3D ordered nanofiber skeletons of liquid-crystalline nanocellulose derivatives as tough and transparent insulators[J]. Angew Chem-Int Edit, 2014, 53（39）: 10394－10397. [12] SI Y, WANG X, DOU L, et al. Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity[J]. Science Advances, 2018, 4（4）: eaas8925. 机梯度隔热、舱室隔热保暖等领域。 纳米纤维材料虽然具有良好的隔热性能和弹性，但其拉伸、剪切性能仍需大幅提升以满足实际应用需求。同时，现有纳米纤维气凝胶的孔径较大，导致其热对流效应明显，特别是在高温环境下，因此需在保证其力学性能未大幅下降的前提下进一步减小纳米纤维气凝胶的孔径，提升材料的隔热性能，最终实现其在航空航天热防护领域的特效应用。 图 1 民用飞机结构复合材料用量的变化 1970年 1980年 1990年 2000年 2010年 空客A350：52% 波音787：50%空客A380：25%空客A340：13%波音777：11%波音757：4%波音767：4% 复合材料用量/% 尾翼应用复合材料 外翼、机身应用复合材料 A350 A380 A340中央翼应用复合材料 次承力结构应用复合材料 50403020100 波音787 波音777 波音757/767 复合材料自20世纪60年代问世以来迅速发展，由于具有高比刚度、高比强度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，越来越广泛地应用于各类航空航天飞行器，大大地促进了飞行器的轻量化、高性能化、结构功能一体化。同时，复合材料的应用部位已由飞机的非承力部件及次承力部件发展到主承力部件，并向大型化、整体化方向发展，先进复合材料的用量成为航空器先进性的重要标志。本文重点阐述航空航天领域最为广泛应用的碳纤维增强树脂基先进复合材料的应用概况、制造技术及未来发展方向。 1 先进复合材料在航空航天领域的应用概况 先进复合材料在航空航天领域的应用始于军用飞 机，是为满足其对高机动性、超音速巡航及隐身等要求而不惜成本开始采用的。近年来由于结构轻量化的要求，民用飞机在复合材料用量方面也呈现增长的趋势。图 1 为商用飞机中复合材料用量占结构重量比例的增加趋势。以1990年研制的波音777为例，在其机体结构中，复合材料仅占11%，而且主要用于飞机辅件，如尾翼和操纵面等。到了2009年波音787首飞时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%（图 2），而空客A350的复合材料用量更是达到了52%（图 3），不仅复合材料占比激增，而且复合材料大量应用于 碳纤维复合材料层压板碳纤维夹芯复合材料玻璃纤维复合材料铝 铝/钢/钛复合材料 其他5% 钢10% 钛15%铝20% 复合材料50% 图 2 波音787的复合材料用量
中航西飞公开世界最先进复合材料生产技术
中航西飞公开世界最先进复合材料生产技术 聚焦阎良航空城——中航工业第五届媒体日活动侧记 参加中航工业第五届媒体日的很多记者是“跑航空口”的资深记者，但走进飞机生产科研试验一线的机会却是少之又少，因此大家都十分珍惜这次难能可贵的机会。在不到两天的时间里，他们先后参观了中航工业试飞中心、西飞、一飞院和强度所4家单位，内容丰富而充实，记者们都纷纷表示不虚此行。 本次媒体日活动由试飞中心、一飞院和西飞共同承办。为了便于管理，组织者们将来自全国20个省市近150名记者分成3个小组活动，每个小组都有志愿者全程陪同，这些志愿者和各单位的组织者们给媒体朋友留下了深刻印象。 由于当天一些航班的延误，在注册台服务的志愿者们一直等到深夜。在参观科研生产试验一线时，组织者为每个小组配备一台可移动的无线扩音器，志愿者全程拉着这台重达20公斤的扩音器跟在记者团的身后，让记者们能够清晰地听到讲解。媒体日活动现场到处可见志愿者忙碌的身影，保障了活动的顺利开展。 从飞机设计、生产、试验到试飞，都是极其专业的科技或工艺，但讲解员们都尽量用浅显易懂的语言来描述，用形象生动的比喻让大家更容易理解，耐心细致地解答记者们提出的问题。记者们最后交流时笑着说：“这次媒体日我们是上课来了。” 参加本次媒体日活动的记者们也并不清闲，无论走到哪里，专家、院士、总师的身旁都会围绕一群记者。走进实验室和生产一线时，记者们认真听着工作人员的讲解，有的还拿着笔记本做笔记，时不时提出疑问。一位厂长在活动结束后表示，记者们提出的问题往往都“正中要害”，十分专业。 在本届媒体日活动中，记者们来到西飞公司参观了数控厂房、数控喷丸生产线、复材厂房等，这些生产线代表了我国、甚至是世界最先进的生产技术。来自《国际航空》杂志的记者告诉我，从前一直报道复合材料的消息，但这次在西飞的厂房看到复材的蜂窝、碳纤维等原材料以及加工合成后的复合材料时，才真正明白复材工艺，这比看多少资料都要明了。 很多记者都是军事迷，看到歼15舰载机、歼10战斗机和直10武装直升机就在眼前时，他们兴奋的围着这些重量级选手360度无死角拍照，生怕错过任何一个好的角度。各位专家、总师、院士也成了各位记者追逐的主角。在参观一飞院见到唐长红院士时，一位来自中央电视台的记者在采访之余拉着唐院士要求合影，并强调唐院士是她的偶像。 在11月5日晚，组织者为参加活动的记者们准备了一台小型文艺演出。无论是职工艺术家的美声演唱还是年轻职工组创的乐队，演出的水准完全可以用专业级来评价，尽兴时记者也跑上舞台和职工合唱一段。后来了解到，这些职工艺术家都是工作在一线的员工，工作之余大家聚在一起排练节目，节假日时表演给广大职工。同行的记者说，别看阎良小，还真是卧虎藏龙，不仅造飞机，更出艺术家。
先进树脂基复合材料制造技术综述
先进树脂基复合材料制造技术综述单位：西北工业大学机电学院作者：阎龙史耀耀段继豪 树脂基复合材料以其比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成型的独特优点在飞机上得到了大量应用，可实现飞机结构相应减重25%~30%[1-2]。此外，通过复合材料结构/ 材料/ 工艺综合研究和材料/ 工艺/ 设计/ 电子/ 气动等学科交叉，深层次开发复合材料结构与功能可设计性潜力，可进一步提高飞机的综合性能。早在20世纪80 年代，人们就预测到2000 年飞机的绝大部分结构将采用复合材料，甚至出现全复合材料飞机。然而，到目前为止，这一预言尚未实现，其主要原因是复合材料构件的成本还远远高于铝合金构件，高成本阻碍了复合材料技术在航空航天等领域的更广泛应用[1]。因此，在已有主要材料体系基础上开发先进的低成本制造技术成为当今复合材料界的共识。目前可降低复合材料制造成本的主要技术途径有：复合材料低温固化技术、复合材料RTM 成型技术、自动缠绕与铺放技术、复合材料电子束固化技术、复合材料结构修理技术[1]。 复合材料低温固化技术 复合材料低温固化技术通常指固化温度小于100℃，可以在自由状态下进行高温后处理的复合材料相关制造技术[1]。发展复合材料构件的低温固化技术，可以大大降低由昂贵模具、高能耗设备以及高性能工艺辅料等带来的高费用。此外，低温固化复合材料构件的尺寸精度高，固化残余应力低，适于制备大型和形状复杂的复合材料构件，也可用于复合材料工装材料以及复合材料结构件的修补等。复合材料低温固化技术是低成本制造技术的重要组成部分。 复合材料低温固化技术的研究始于20 世纪70 年代，ACG 公司于1975 首先发展了第一个低温固化树脂体系LTM10。到20 世纪80 年代中期，低温固化复合材料开始应用于工装领域。20 世纪90 年代早期，低温固化复合材料首次用于航空结构件，如1985 年洛克希德·马丁公司采用LTM45 低温固化体系制备了UAV构件；1986 年NASA 和McDonel-Douglas 公司使用LTM10 体系/ 真空袋成型技术制造了X36 无人战斗机和UAV 的外蒙皮。国内关于低温固化复合材料研究的起步较晚，北京航空材料研究所成功研制出70℃固化，80~100℃使用的LT-01 碳纤维增强复合材料树脂体系，并用于制造大型运输机复合材料腹鳍。表1 所示为碳纤维增强LT-01 复合材料体系力学性能[1]。
复合材料大作业
先进复合材料制造技术复合材料表面的金属化 姓名丁志兵
班级05021104 学号2011301263 复合材料表面的金属化 材料作为社会进步的物质基础和先导，在人类历史发展的过程中一直都是人类进步的里程碑。每一种新材料的发现和利用都会为社会生产力的提高以及人类生活品质的提升带来巨大的变化。同时，材料制造的水平也是衡量一个国家科学技术和经济发展的重要因素之一。 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的发展具有悠久的历史，自20 世界40 年代因航空工业发展的需要而发展出的玻璃纤维增强复合材料（也称玻璃钢），复合材料这一新材料的名称因此而进入人们的视线。复合材料的出现，使得材料科学的内容产生了极大的丰富，并且因其自身的广泛而优异的性能而得到快速的发展，人们将复合材料的出现视为人类进步发展的里程碑。科学家预言：“复合材料在21 世纪中将支撑着科学技术的进步和挑起经济实力的脊梁”，“21 世纪将是复合材料的时代”，“先进复合材料在21世纪中将在航空航天技术领域中发挥越来越重要的作用”。随着时代的进步和科技的发展，复合材料结构已经广泛应用于航空航天、船舶、车辆、建筑工程等多个领域，的确，21 世纪将是复合材料的时代，复合材料必将肩负着重要的责任。 树脂基复合材料以其质轻、高比强度、高比模量、热膨胀系数小、性能可设计性等一系列优点,已经成为国内外航天器结构部件的首选材料,广泛应用于各类卫星天线、相机结构组件、裕架、太阳能电池板等。在航天器中,用复合材料代替金属材料,在保持原有力学性能,甚至更高的同时,可有效减轻航天器的重量,节约发射成本。但是,由于特殊的空间使用环境和航天技术新的发展需求,树脂基复合材料面临以下的问题,严重影响了该类材料的进一步应用。 1)空间防护能力不足,制约航天器向长寿命方向发展。 航天器在空间运行过程中要经受严酷的空间环境考验。近地轨道以大量的原子氧、紫外环境为主。原子氧是一种很强的氧化剂,对树脂基体具有很强的腐蚀作用,当航天器以极高的速度在其中运行时,相当于将航天器浸泡于高温的氧原子气体中,裸露在外的树脂基复合材料结构件表面与其作用形成挥发性的氧化物;在地球同步轨道,空间辐射环境以带电高能粒子如电子,质子和紫外线等为主,带电粒子对卫星结构件的辐射损伤主要是通过以下两个作用方式:一是电离作用,即入射粒子的能量通过被照物质的原子电离而被吸收,另外一种是原子的位移作用,即被高能粒子中的原子位置移动而脱离原来所处的晶格位置,造成晶格缺陷。高能的质子和重粒子既能产生电离作用,又能产生位移作用。所有这些作用都会导致树脂基
国内外先进复合材料低成本制造技术的发展现状
国内外先进复合材料低成本制造技术的发展现状 从低成本成型的研发现状看，大致可分为以下5方面的内容：（1）对热固性复合材料一直沿用的方法进行改进和提高效率，如Filament Winding（FW，纤维缠绕）、Pultrusion（拉挤）、 Braiding（编织）、 Tow placement（丝束排布）、自动成套裁剪、预浸材料激光样板切割（Laser template）等自动化技术。（2）湿法工艺技术：RTM、RFI等在纤维增强体的预型件上再注入浸渍树脂。（3）热塑性复合材料的易成型新材料开发及IN-SITU（原位）成型方法：D irect consolidate（直接固结）、Commingled yarn（搀混纱线）、Powder co ated towpreg（粉末涂覆丝束预浸）等新成型方法。（4）不用热压罐的新固化技术，用微波、电子束、超声波、X线等高效率能量的新固化方法。（6）CAD/C AM模拟技术：铺层、浸渍、成型、固化等工序的模型化/模拟技术，有助于保证产品质量，提高生产效率。 低成本成型技术当前发展的主流是湿法成型技术，也称液体模塑成型技术（简称LCM），主要有树脂传递模塑、真空辅助树脂传递模塑（VARTM）、树脂渗透成型工艺（SCRIMP）和结构反应注射模塑等。其中最重要的是树脂传递模塑技术（RTM）以及由此而发展起来的VARTM。RTM免除了将纤维制成预浸料，再切割成层片然后再铺叠成预型件的过程，摆脱了大投资的热压罐，工艺易于实现自动化，具有生产周期短、劳动力成本低、环境污染少、制造尺寸精确、外形光滑、可制造复杂产品等优点。是目前国际上发展应用最快，并在航空工业应用最多的低成本技术之一。 从国际上看，美国在湿法成型技术上处于领先地位，特别是在航空航天领域内，在过去十年里，美国应用RTM技术的增长率为20-25%。据美国塑料工程学会预测，在今后五年里美国应用RTM技术的增长率将提高到30-32%。美国基本形成了RTM有关的材料体系、制造工艺、技术装备和验证系统，并在武器装备上得
航空级树脂基复合材料的低成本制造技术
航空级树脂基复合材料的低成本制造技术 发表时间：2018-11-21T11:14:26.433Z 来源：《新材料·新装饰》2018年6月上作者：刘杰 [导读] 复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺 V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。关键词 （航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150060） 摘要：复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺 V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。 关键词：复合材料；液态成型工艺；RTM；RTM衍生工艺 1 树脂传递模塑(RTM)成型工艺 树脂传递模塑成型简称RTM(Resin Transfer Molding),是一种闭模成型技术,可以生产出两面光的制品。它的基本原理是先在模腔内预先铺放增强材料预成型体、芯材和预埋件,然后在压力或真空作用下将树脂注入闭合模腔,浸润纤维,经固化、脱模、后加工而成制品的工艺。RTM在航空航天和军事领域的应用主要体现大型结构部件的整体成型方面,国外RTM成型技术在航空航天领域的应用主要有雷达罩、螺旋桨、隔舱门、直升机的方向舵、整体机舱、飞机的机翼等。 RTM技术是一种非常具有竞争力的复合材料成型技术,可以作为预浸料/热压罐技术的补充或替代技术。热压罐成型的最大缺点是其体积大,结构复杂,且是压力容器。因此建设投资费用高。同时对于较大体积的热压罐。其升温和加压的速度比较慢。场内温度控制不均匀。与预浸料模压工艺相比,RTM工艺无须制备、运输、贮藏冷冻的预浸料,无须繁杂的手工铺层和真空袋压过程,也无须热处理时间,操作简单,技术开发和应用灵活。 RTM技术存在的难点是由于在成型阶段树脂和纤维通过浸渍过程实现赋形,纤维在模腔中的流动、纤维浸渍过程以及树脂的固化过程都对最终产品的性能有很大的影响,因而导致了工艺的复杂性和不可控性增大。主要问题有:①树脂对纤维的浸渍不够理想,制品里存在空隙率较高、干纤维的现象;②制品的纤维含量较低;③大面积、结构复杂的模具型腔内,模塑过程中树脂的流动不均衡,不能进行预测和控制。 2 RTIM的衍生工艺 2.1V ARTM(真空辅助RTM)工艺 真空辅助树脂传递模塑(V ARTM)是在RTM的基础上开发得到的。V ARTM是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动、渗透,实现对纤维及其织物的浸渍,并在室温下进行固化,形成一定树脂与纤维比例的工艺方法。 V ARTM是一种吸出空气的闭模工艺,与常规的RTM工艺相比:①RTM工艺在树脂注入时,模具型腔内可积起几吨压力,通过抽真空V ARTM 工艺可减少这种压力,因而增加了使用更轻模具的可能性;②真空的使用也可提高玻璃纤维对树脂的比率,使制品纤维含量更高;③真空还有助于树脂对纤维的浸渍,使纤维浸渍更充分;④真空还起到排除纤维束内空气的作用,使纤维的浸润更充分,从而减少了微观空隙的形成,得到空隙率更低的制品;⑤V ARTM工艺生产的构件机械性能更好。 V ARTM工艺制造的复合材料制件具有成本低、空隙含量小、成型过程中产生的挥发气体少、产品的性能好等优点,并且工艺具有很大的灵活性。 2.2Light-RTM成型工艺 Light-RTM通常称为轻质RTM,该工艺是在真空辅助RTM工艺的基础上发展而来的,适用于制造大面积的薄壁产品。Light-RTM典型特征是下模为刚性的模具,而上模采用轻质、半刚性的模具,通常厚度为6mm~8mm。工艺过程使用双重密封结构,外圈真空用来锁紧模具,内圈真空导入树脂。注射口通常为带有流道的线性注射方式,有利于快速充模。由于上模采用了半刚性的模具,模具成本大大降低,同时在制造大面积的薄壁产品时,模具锁紧力由大气压提供,保证了模具的加压均匀性,模制产品的壁厚均匀性非常好。 2．3树脂浸渍模塑成型工艺(SCRIMP) SCRIMP是一种新型的真空辅助注射技术(V ARTM),是1990年美国Seemann Composites(西曼复合材料公司)在美国获得专利权的真空树脂注入技术。SCRIMP工艺的基本原理是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动、渗 透,实现对纤维的浸渍。在模具型面上铺放增强材料和各种辅助材料,用真空袋将型腔边缘密封严密,在型腔内抽真空,再将树脂通过精心设计的树脂分配系统在真空作用下注入模腔内,最后固化成型。 SCRIMP工艺的树脂分配系统改善了浸渍效果,减少了缺陷发生,使模塑部件具有很好的一致性和重复性,同时也克服了V ARTM在生产大型平面、曲面的层合结构以及加筋异型构件等制品时,纤维浸渍速度慢、成形周期长等不足。与传统的RTM工艺相比,SCRIMP工艺只需一半模具和一个弹性真空袋,这样可以省去一半的模具成本,成型设备简单。由于真空袋的作用,在纤维周围形成真空,可提高树脂的浸湿速度和浸透程度。同时它只需在大气压下浸渍,固化;真空压力与大气压之差为树脂注入提供动力,从而缩短成型时间。SCRIMP工艺适用于中、大型复合材料构件,施工安全、成本较低。SCRIMP工艺制造的部件性能与航空航天领域广泛采用的热压罐工艺相媲美。随着SCRIMP技术从军事应用向民用工业的转移,在建筑、汽车行业将有很大的拓展空间,如大尺寸的屋面、建筑平台等公用工程构件。 2．4树脂膜渗透成型工艺(RFI) RFI工艺是在RTM的基础上发展起来的树脂膜渗透成型工艺。它是一种树脂融渗和纤维预成型坯相结合的技术。RFI采用单模和真空袋来驱动浸渍过程,工艺过程是:将预制好的树脂膜铺放在模具上,再铺放纤维预成型体并用真空袋封闭模具;将模具置于烘箱或热压下加热并抽真空,达到一定温度后,树脂膜熔融成为黏度很低的液体,在真空或外加压力的作用下树脂沿厚度方向逐步浸润预成型体,完成树脂的转移;继续升温使树脂固化,最终获得复合材料制品。 RFI工艺加热时树脂流动是厚度方向的流动,大大缩短了流程,使纤维更容易被树脂浸润。相对于RTM工艺,RFI工艺能制造出纤维含量高、孔隙率极低、力学性能优异、制品重现性好、壁厚可随意调节的大型复合材料制件和复杂形状的制件,并可根据性能要求进行结构设计。RFI工艺采用真空袋压成型方法,免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具加工无需制备预浸料,挥发物少,成型压力低,生产周