航空先进复合材料及工艺技术发展

0.引言
　　航空复合材料是一种由高强度、高刚度增强材料构成的新型材料，具有良好的抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点。复合材料是综合权衡飞机减重、性能、成本三方面因素的理想材料，在飞机上大量应用可以明显减轻飞机的结构重量，提高飞机的性能[1]。
　　受益于近二十年来复合材料技术和制造工艺技术的进展，复合材料在飞机上的用量大幅增长，显著提高了飞机的综合性能和燃油经济性。经初步统计，预浸料成本目前已降到120～190美元/kg，结构制造成本已从上世纪90年代初1100美元/kg，降到目前275～330美元/kg。复合材料原材料成本和结构件制造成本的大幅度降低，经进一步扩大了复合材料的减重、性能和成本优势。
　　1.航空先进复合材料发展分析
　　复合材料原材料方面，航空用各种树脂基复合材料水平有大幅度提高。在碳纤维材料方面，大丝束12k、24k已逐渐代替3k及6k，高强度的T700S及T800S已开始广泛生产。以977-3/IM7和3900/T800S为代表的环氧树脂复合材料已发展到第二代，其CAI达到245～315MPa，堪称首屈一指。以5250-4/IM7为代表的双马基高温复合材料已发展到第二代，工作温度达到177℃，广泛用于飞机高温部位。
　　聚酰亚胺复合材料广泛用于发动机高温部位，缺点是含甲撑替二苯胺（MDA）有毒，美国研究出无MDA的预浸带可用于发动机及飞机；因钛合金稀缺，聚酰亚胺预浸带正研究用来代替500℃以下的钛合金。美国Amber公司开发的C740阻燃氰酸乙酯树脂与碳纤维组成的材料固化后工作温度可达344℃，可用作无人机S-100的尾喷管及发动机。
　　2.航空复合材料先进工艺技术发展分析
　　航空复合材料先进工艺技术方面，数字化技术、自动化技术、低成本技术以及先进工艺装备的应用和发展，推动了复合材料工艺技术从以手工制造、模拟量传递为特征的传统技术迅速转变为以自动化制造、数字量传递为特征的先进技术，目前在航空复合材料中得到广泛认可和推广应用的先进制造技术如下：
　　2.1数字化技术广泛应用
　　采用数字量形式对产品进行全面描述和数据传递，实现了设计与制造之间的无缝集成。目前复合材料构件数字化制造主要体现在预浸料自动下料、激光铺层定位和纤维自动铺放等方面。
　　2.2自动化技术迅猛发展
　　自动铺叠可成型超大尺寸和形状复杂的复合材料制件，而且质量稳定，工件净近成形，加工切削加工及原材料耗费减少。自动铺带及丝束铺放的材料利用率达到80～97%，而手工铺层的材料利用率仅为40%，先进铺带技术可降低制造成本30%～50％。据统计，2001年前全球只有不足100台自动化复合材料铺层机，到2007年全球拥有自动化复合材料结构制造用机器人设备250台。2007年大型民机复合材料结构只有43%是用自动化制造的，预计10年内将达到64%。
　　复合材料自动化技术包括自动铺带技术和自动铺丝（AFP）技术。目前最先进的第五代铺带机是带有双超声切割刀和缝隙光学探测器的十轴铺带机，铺带宽度最大可达到300mm，铺带速度达1.3～20.4kg/h，生产效率可达到手工铺叠的数十倍。所有波音787翼面及翼盒构件均采用自动铺带技术制造。
　　针对复杂双曲率型面，由Hercules率先开发了自动丝束铺放（ATP）。其结合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点，铺束头把缠绕技术所用的不同预浸纱束独立输送和铺带技术所用的压实、切割、重送功能结合在一起，由铺束头将数根预浸纱束在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带，然后铺放在芯模表面，铺放过程中加热软化预浸纱束并压实定型。目前最新的Viper6000系统可以铺放并控制32个纤维束，每束宽3.2mm，铺层带宽达到10.2cm，铺丝速度可达6.8～11.3kg/h，最高可达23kg/h，丝束的铺放精度达到±1.3mm。
　　除广泛采用自动化铺层设备外，还广泛采用了大型自动化高速喷水切割机、超声切割机、数控自动化钻铆机、大型剪切螺栓紧固机等。
　　2.3液态成型、非热压罐固化等多种工艺日趋成熟
　　VARTM技术是目前液态成形技术中发展得较为完善的一种，在CRJ700/900支线飞机、A380、787机身后压力隔框及A400M货舱门上广泛应用了VAP技术，纤维体积密度达到65%，孔隙率小于0.2%。非热压罐固化虽会使纤维体积含量减少，但其影响甚小，如在VARTM技术中，单向带及织物的纤维体积含量已分别达到60%和56%，而热压罐固化所能达到的相应值也仅为62%和58%[2]。
　　较之VARTM和RTM更接近传统方法的是采用为非热压罐固化开发的专用预浸料，然后在固化炉中固化。目前，先进复合材料公司的首个热压罐外固化复合材料MTM44-1已取得空客认可用做结构件。
　　2.4先进无损检测技术的应用
　　复合材料制件无损检测设备主要需要配置大型超声C扫描设备和X光无损检测设备。此外激光剪切摄影及激光超声检测也是主要发展方向。
　　在超声检验技术上最重要的进展之一是相控阵检验的开发。相控阵超声检验与传统超声检验相比，改进了探测的概率，并明显加快了检验速度。
　　波音及空军实验室等采用了一批先进的无损检测技术。波音公司的移动式自动扫描机（MAUS）C扫描系统，检测速度9.3m2/h；空军实验室的激光超声检验速度是水浸超声探伤的10倍。此外还有电子剪切成像、相控阵超声等多种方法。
　　2.5大型工艺装备的建立
　　波音787的机翼固化用热压罐8×40m，机身固化热压罐9×23m。A380固化用热压罐9×42m，为世界之最。此外还有Viper6000自动铺放机、大型喷水切割机、隔膜成形机以及自动钻铆机等也是重要的大型设备。
　　大型构件的模具重量太大，重达45360kg，采用复合材料作模具，使波音787的后机身模具重量降低60%。目前还在开发气相沉积薄壳镍基合金模具，低温固化复合材料制的模具、碳泡沫模具以及纳米技术改性模具等。
　　2.6手工铺层在次承力结构制造中仍不可替代
　　手工铺层在定货量小，质量要求高的场合仍广泛应用。它的优点是可使蒙皮厚度有大的变化，进行局部加强。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、铺层激光定位系统等，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。在某些形状复杂的次承力构件制造中，手工铺层仍是不可取代的。手工铺层的缺点是要求铺层人员有很高的技艺和施工经验，手工铺贴费工费时，效率低、成本高（占总成本的1/4），难以适应大批量生产和大型复杂复合材料制件的生产要求。
　　3.结论
　　先进复合材料在飞机上的应用和发展很大程度上取决于复合材料技术和工艺制造技术的快速进步。在目前及未来一段时期内，在适当保留传统手工制造的基础上，耐高温、耐腐蚀、高强度等高性能复合材料及数字化、自动化、低成本制造技术是航空复合材料发展的主要方向