(旧)先进复合材料制造技术
复合材料制造技术的研究与应用
复合材料制造技术的研究与应用复合材料是指由两种或两种以上的具有不同性能的基材在一定的比例、分布和有序排列方式下组成的三维结构材料。
在过去几十年间，复合材料制造技术取得了飞速的发展，已经成为当今世界先进制造业中不可忽视的一部分。
本文将重点探讨复合材料制造技术的研究与应用。
一、复合材料制造技术的研究制造复合材料需要掌握复杂的技术，其中最重要的两个方面是复合材料材料学和复合材料加工学。
1. 复合材料材料学复合材料材料学是研究复合材料的基础。
随着复合材料制造技术的发展，人们开始注重合成具备特定性能的基材。
例如，为了提高强度和耐磨性，复合材料中常常使用玻璃纤维增强聚酯树脂或碳纤维增强环氧树脂。
通过对材料特性的深入探究，研究人员可以找到最佳配方，并为制造更为优质的复合材料开辟了道路。
2. 复合材料加工学复合材料加工学是为了生产制造复合材料而开发的一门学科。
其核心是开发一种特殊的技术，旨在将不同的基材组合在一起，形成一个有机的整体。
在复合材料加工的过程中，使用的技术包括成形、模压和热塑等技术。
二、复合材料制造技术的应用复合材料制造技术广泛应用于各个领域。
下面我们将重点探讨其中的三个领域。
1. 航空航天领域航空航天领域是复合材料的重要应用领域之一。
复合材料比金属更轻，强度更高，能有效降低飞行器的自重，提高其飞行效率和性能。
现在，许多高端的载人和无人飞行器的关键部件，如翼面、机身和推进器等，都采用复合材料制造。
2. 汽车制造领域汽车制造行业也是复合材料的用户之一。
相比于铸造的主要金属，如铝、钢、铜，复合材料具有更高的强度、更轻的重量和更好的抗腐蚀能力。
在汽车制造领域，复合材料被广泛地用于车身框架、车身外壳、发动机盖和内饰等部件制造中。
3. 体育器材制造领域体育器材行业是复合材料的主要应用领域之一。
复合材料具有优异的力学性能、化学性能和电性能，可以满足高端体育器材制造的要求。
常见的体育器材，如高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、自行车等，都采用了复合材料制造技术。
先进复合材料的制造工艺
先进复合材料的制造工艺哎，大家好呀！今天咱们聊聊一个挺酷的话题——先进复合材料的制造工艺。
听起来是不是有点儿高大上？别担心，咱们用最简单的方式来讲，保证你听了之后恨不得立马去了解更多。
复合材料是什么呢？简单说，就是把两种或两种以上的材料结合起来，发挥各自的优点，做出更牛的东西。
想想看，像咱们平常喝的果汁，加点儿冰块和其他水果，那味道不就是比单独的好得多嘛！复合材料也是这个道理，结合不同材料的特性，得到一种新的、更强的材料。
制造这些复合材料需要啥工艺呢？首先得有个合适的基础材料，通常是纤维，比如碳纤维、玻璃纤维之类的。
这些纤维可不是随便找的哦，得精挑细选，确保它们的强度和轻量化。
再说了，这些纤维可轻易地给整个材料增添不少强度，简直就是材料界的小钢炮。
你得准备个树脂，这东西可是复合材料的粘合剂，像是胶水一样把各种材料粘在一起。
这树脂可不是随便找的，得有好的性能，才能在高温和潮湿环境下也不出岔子。
听到这里，是不是觉得这过程有点儿像做饭？挑材料、调配比例，最后还得细心地把它们组合在一起，真是妙不可言。
好啦，咱们接下来讲讲具体的制造流程。
得把纤维按一定的方式铺好。
这可是一个艺术活，不仅要有耐心，还得有点儿创意。
然后，把混合好的树脂均匀地涂在纤维上，像是在给它们涂上美美的“外衣”。
这个过程得特别注意，不能多也不能少，正好合适才行。
要是树脂涂得不均匀，那可就糟了，最后成品可不一定如你所愿。
之后，就要进行固化了，哎，这可不是催促材料快点儿的意思哦，而是让树脂和纤维一起变得更牢固。
通常用热压或者真空等方法，保证材料在高温下保持稳定。
固化的过程就像是一场变魔术，材料在高温的“洗礼”下，变得坚不可摧。
经过这一系列的步骤，嘿，咱们就得到了强度和韧性兼备的复合材料。
听着是不是很激动？制造完了这些材料，接下来的检验也很重要。
得看这些材料能不能经得住各种考验，像是拉伸、压缩、耐热等各种测试。
就像考试一样，咱们的复合材料得确保在各种环境下都能“考得好”。
先进复合材料主要制造工艺和专用设备
先进复合材料主要制造工艺和专用设备中国航空工业第一集团公司科技发展部 郝建伟中国航空工业发展研究中心 陈亚莉先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，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。
本文旨在介绍在复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。
复合材料在飞机上的应用随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。
复合材料在飞机上的应用趋势有如下几点：（1）复合材料在飞机上的用量日益增多。
复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。
最有代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787飞机。
A380上复合材料用量约30t。
B787复合材料用量达到50%。
而A350飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。
复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复合材料用量推向更高水平。
（2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。
最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构。
目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。
主承载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。
（3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。
飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。
（4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为主流。
先进复合材料成型技术
先进复合材料成型技术
先进复合材料成型技术是指利用先进的工艺和技术手段将复合材料制备成所需形状和尺寸的过程。
其中，复合材料是由两种或两种以上的材料组成的，以得到更优异性质或性能的材料。
常见的复合材料包括纤维增强复合材料、层状复合材料和粉末冶金复合材料等。
在先进复合材料成型技术中，主要的方法包括：
1. 压缩成型：将复合材料放入模具中，通过外部力作用使其成型。
该方法适用于具有规则形状的产品，如板材、棒材等。
2. 注塑成型：将复合材料加热至熔融状态后，通过注射机将其注入模具中，冷却后成型。
该方法适用于复杂形状的产品，如壳体、零件等。
3. 叠层成型：将预浸料或干预浸料的纤维层堆叠在一起，然后通过热压或自动化的机械压力系统将其热固化成型。
该方法适用于大型、高强度的复合材料制品。
4. 旋压成型：将预浸纤维绕在模具的表面，然后通过加热和压缩使其固化成型。
该方法适用于中小型、复杂形状的产品制造。
5. 真空吸塑成型：将预先加热的塑料片放置在模具上，然后通过真空吸取空气使其紧贴模具表面，冷却后成型。
该方法适用于薄壁、透明或有特殊形状的产品。
这些先进复合材料成型技术在航空航天、汽车、建筑等领域有广泛应用，可大幅提高产品的强度、刚度和耐用性。
先进复合材料的发展及展望
先进复合材料的发展及展望复合材料是由两种或多种不同性质的材料组合而成的材料，其具有比单一材料更优异的力学性能、热学性能和电学性能。
随着科技的不断发展和应用的需求，复合材料已经成为现代工程领域的重要材料之一、下面将对复合材料的发展历程以及未来的展望进行探讨。
复合材料的发展可以追溯到一战和二战期间。
在这两场战争中，军事航空工程技术的发展和需求推动了复合材料的进步。
战争中需要轻巧但强度高的材料来制造飞机和其他军事装备，这就促使科学家们进行了各种复合材料的研究。
例如，玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）就在这个时期应用于飞机制造中。
二战结束后，复合材料的发展步伐得以加快。
20世纪60年代和70年代，复合材料开始在航空航天领域的使用扩大，包括运载火箭、导弹和航空器上的结构部件。
在70年代末到80年代初，碳纤维增强复合材料逐渐应用于高性能运动设备和汽车领域。
然而，当时复合材料的使用仍受到制造工艺和成本的限制。
近年来，随着材料科学和工艺技术的进步，复合材料的发展取得了显著的突破。
首先，纳米复合材料的出现使得材料的力学性能和性能更加优越。
纳米颗粒能够改善复合材料的强度、硬度和耐磨性，并提高材料的导电和导热性能。
其次，3D打印技术的发展推动了复合材料领域的进一步研究。
通过3D打印，可以实现更加复杂和精确的结构设计，同时还能够提供更高的生产效率和灵活性。
第三，可回收和可持续发展的复合材料成为新的研究方向。
传统的复合材料难以回收和再利用，而可回收的复合材料可以减少资源的浪费和环境的污染。
在未来，复合材料的应用前景非常广阔。
首先，航空航天和航空领域将继续是复合材料的主要应用领域。
由于其轻巧和高强度的特性，复合材料可以减少飞机和航天器的重量，提高燃料效率和性能。
其次，能源和环境领域也将是复合材料的重要应用领域。
复合材料能够提高太阳能电池的效率，改善风力涡轮机的性能，并且可以用于制造高效的电池和储能装置。
复合材料的制造技术和应用
复合材料的制造技术和应用近年来，复合材料在各个领域中的应用越来越广泛，成为工业领域的一项重要技术。
复合材料是一种由两种或两种以上不同种类的材料复合而成的新型材料，具有很好的物理性能和机械性能。
下面将从制造技术和应用两方面来详细介绍复合材料。
一、复合材料的制造技术复合材料的制造技术种类繁多，主要包括手工制作、压塑、注塑和自动化制造。
1.手工制作手工制作是最简单的一种制造技术，主要适用于小型的复合材料制品的生产。
利用人工将复合材料制品逐步制作而成。
这种方法的好处在于工具简单，能够节省一部分生产成本。
2.压塑压塑是一种主要适用于大型的复合材料制品的生产。
与手工制作相比，它具有更高的效率，可以大量生产相同尺寸的制品。
压塑的过程需要先将树脂和被强化材料固化在一起，随后把这个材料片放入压力机中，在高温下进行热压处理。
这样的操作既能保证复合材料固化的程度，还能确保材料的厚度与密度的均匀性。
3.注塑注塑是一种先进的复合材料制造技术。
这种方法适用于制作异形及精密方法等需要高精度的产品，如桥梁、飞机和汽车等。
制造工艺是在高温下将树脂和被强化材料混合，然后将其注塑到模具中，在压力和温度下进行变形。
这个过程可以使复合材料被铸造成为具有良好机械性能和高耐用性的成品。
4.自动化制造自动化制造技术被广泛应用于大型企业中。
这种方法利用机械化设备，对复合材料的生产制造进行自动化处理。
同样的，这个过程可以确保高品质的制品。
它通常使用在生产复材船体、飞机翼和汽车车架等大型复合材料制品。
二、复合材料的应用复合材料适用于广泛的应用领域，包括汽车、航天、建筑、体育设备和船舶等。
1.汽车工业在汽车制造中，复合材料被用来制造一些轻型件，如车顶、车身和车门等。
复合材料的轻量化和高强度的特性可以获得更好的动力输出效果，使得汽车更加经济和环境友好。
2.航天工业复合材料在航天工业中的应用领域也很广泛。
它们可以用于制造火箭、卫星和飞机部件等。
复合材料具有轻重比优良和耐高温性能特性，在航空航天领域中能够更加突出 advantages。
先进复合材料主要制造工艺和专用设备
先进复合材料主要制造工艺和专用设备中国航空工业第一集团公司科技发展部 郝建伟中国航空工业发展研究中心 陈亚莉先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，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。
本文旨在介绍在复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。
复合材料在飞机上的应用随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。
复合材料在飞机上的应用趋势有如下几点：（1）复合材料在飞机上的用量日益增多。
复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。
最有代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787飞机。
A380上复合材料用量约30t。
B787复合材料用量达到50%。
而A350飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。
复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复合材料用量推向更高水平。
（2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。
最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构。
目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。
主承载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。
（3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。
飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。
（4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为主流。
先进复合材料制造技术
先进复合材料制造技术在现代科技的发展中，先进复合材料制造技术一直以其出色的性能和广泛的应用领域而备受关注。
复合材料是由两种或两种以上的材料组成，以获得更好的机械性能、化学性能、热学性能和电学性能。
先进复合材料制造技术的发展，不仅在航空航天、汽车制造、建筑、医疗设备等领域具有广泛应用，还为环境保护和可持续发展做出了巨大贡献。
先进复合材料制造技术主要涉及多种制造工艺，包括预浸、压缩、注射、聚合等。
其中，预浸工艺是最常用的制造工艺之一、在预浸工艺中，纤维布料会被浸渍在树脂中，形成预浸体（prepregs），然后通过热固化或化学固化方式，将纤维和树脂固定在一起，形成复合材料。
预浸体制造工艺具有制造成本低、生产效率高、性能稳定等优点，适用于中小批量或大规模生产。
在先进复合材料制造技术中，纤维起着重要的作用。
常用的纤维材料包括碳纤维、玻璃纤维和聚酯纤维等。
碳纤维以其高强度、高模量和低密度等优点而备受推崇，广泛应用于航空航天和其他高端领域。
玻璃纤维具有良好的耐腐蚀性和电绝缘性能，广泛应用于建筑和汽车制造等领域。
聚酯纤维是一种常见的合成纤维材料，具有高强度、耐切割和延展性好等特点，广泛应用于包装和防护领域。
先进复合材料制造技术的应用也越来越广泛。
在航空航天领域，复合材料制造技术已经成为新一代飞机制造的核心技术。
使用复合材料可以减轻飞机的重量，提高燃油经济性和环境友好性。
在汽车制造领域，复合材料也被广泛应用于车身结构和零部件制造中。
与金属材料相比，复合材料具有更好的耐腐蚀性、减震性能和吸能能力，可以提高汽车的安全性和舒适性。
在建筑行业，先进复合材料制造技术也为建筑材料的创新和建筑结构的优化提供了可能。
使用复合材料可以减轻建筑的质量，提高抗震性能和隔音性能。
然而，先进复合材料制造技术仍然面临一些挑战。
首先，高成本是限制复合材料推广应用的主要因素之一，特别是碳纤维等高性能纤维材料的价格较高。
其次，复合材料与传统材料之间的接口问题也需要解决。
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A380后压力隔框试验了 不同技术
树脂薄膜渗透法（RFI） 自动化纤维铺放（AFP）
RFI法 制造 验证件
复合材料制造技术发展趋势 整体化成型技术
大量减少零件、紧固件数目，实现复合材料结构设 计到制造一体化成形的相关技术。复合材料结构大面 积整体成形在满足结构总体性能要求的前提下，可以 进一步减轻结构重量、降低成本，特别是制造成本。
复合材料制造工艺的特点
④ 结构复合材料制造成本高
预浸料10 ％ 树脂 5 ％ 纤维 13 ％ 制造 72％
航空航天结构复合材料以热压罐工艺为主,制造成本高，比重大
复合材料制造技术发展趋势
复合材料制造技术发展趋势
手工铺贴 热压罐
拉挤
缠绕
传统
LCM工艺
自动铺贴
自动铺放 整体成型技术
先进
高效成型技术 非热压罐技术 数字化成型技术
② 成型工艺含两个过程——成形与固化
成型 工艺
成形 赋予构件形状
——原材料如何制成所需结构形状（成形方法 ）
固化 固定构件形状
——赋予复合材料结构件力学性能（固化方法）
浸渍 流动 固化
热固性树脂（已固化） Thermoset
浸渍 流动 硬化
热塑性树脂 Thermoplastic
复合材料制造工艺的特点
预压实
固化
无损检测 测厚
切边打磨
称重
复合材料构件制造工艺流程
自动化制造技术-自动铺放
手工铺贴问题： 效率低、成本高 质量难控制 大型构件难于制造
自动化制造技术-自动铺放
预浸带
自动 铺带
压力成型 模具
送带切割 等带宽
自动 铺丝
丝束(预浸纱) 压力成型 模具
独立送纱 独立切断
任意外形
自动化制造技术-自动铺放
Uncured Skin A380后承压框
复合材料制造技术发展趋势
数字化制造技术
控制制造质量 提高稳定性
降低制造成本 缩短研制周期
数字化制造技术
产品设计
数字化
数字化
数字化 工装生产线 成型
数字化 数字化
检测
装配
复合材料制造技术发展趋势
数字化制造技术
目前研发重点是复合材料成型过程的数值模拟与优化： RTM等液体成型工艺模拟软件 大型构件固化变形分析软件 复合材料制造成本核算软件
复合材料制造工艺的特点
复合材料成型工艺与金属材料结构制造工艺截然不同 结构成型与材料成型同时完成 成型工艺含两个过程——成形与固化 复合材料结构可实现整体成型
复合材料制造工艺的特点
① 结构成型与材料成型同时完成
工艺控制格外重要
• 直接影响构件性能 • 直接影响成本 • 工艺控制难度大
复合材料制造工艺的特点
发展
复合材料制造技术趋势
大 精 省
复合材料制造技术发展趋势
自动化 制造技术
实现大型构件制造的必要前提
高效成型技术
液体成型技术
大面积整体 成型技术
数字化 制造技术 非热压罐 成型技术
原材料生产与制件生产一体化 最重要的低成本工艺方法 降低重量、减少装配量的途径
提高生产率 保证高质量 实现低成本 增强可靠性
自动化制造技术-自动铺带
ATL是针对机翼、壁板构件 等大尺寸，中小曲率的部 件在20世纪60年代开发的 一项采用预浸带快速自动 铺放的复合材料自动化制 造技术
在线模压成型工艺LFT-D 将原材料生产、产品生产合二为一，大幅度缩短生产周期、降低制造成本和能耗
复合材料制造技术发展趋势
LCM技术
树脂传递模塑——RTM
Resin Transfer Molding 如A380翼肋
树脂模渗透工艺——RFI
Resin Film Infusion 如A380后压力隔框、B787地板梁
复合材料工艺种类多、性能差异大
复合材料制造工艺的特点
复合材料工艺与纤维长度有关
复合材料制造工艺的特点
③ 复合材料结构可实现整体成型
采用共固化/共胶接等技术，可大量减 少零件、紧固件数目，提高减重效率
共固化 胶接 缝合/Z-pin
T型 帽型
缺陷带到部件，制造风险大幅度增加
L型
对工艺方法选择和工艺参数控制提出更高要求
有效控制制造质量的关键技术
减少设备投资和能耗
复合材料制造技术发展趋势 自动化制造
复合材料制造技术发展趋势
Un-pressurized Fuselage: solid laminated CFRP,
AFP
Vertical Tail Plane:
IM Fiber, ATL for Torsion
Box and Rudders
ATL
Center Wing Box:
HT & IM Fiber, ATL
Horizontal Tail Plane:
IM Fiber, ATL for
Torsion Box and Elevators
复合材料制造技术发展趋势
B787 复合材料 50%（80%为自动铺放）
复合材料制造技术发展趋势 高效成型技术
复合材料先进制造技术发展与应用
顾轶卓
北京航空航天大学材料学院
2015.5
提纲
复合材料制造工艺的特点 复合材料制造技术发展趋势 自动化制造技术 液体成型技术 整体成型技术 数字化成型技术
复合材料制造工艺的特点
复合材料制造工艺的特点
原材料与 模具准备
成形固化
无损检测 机加与装配
复合材料结构制造基本流程
自动化制造技术-自动铺带
自动铺带技术ATL(Automated Tape – Laying)
Cincinnati Machine与Cytec于60年代中期开始研制自动铺带机 用于人工铺叠难以实现的大型结构件铺层 大幅度节省时间、劳力，速度较手工提高10倍 节省原材料，废品率仅3-5% (手工25-30%) 尺寸越大效率越高，尤其当零件尺寸大于手工临界尺寸5m×2.5m
可提高产品研制生产效率、保证质量、降低成本
复合材料制造技术发展趋势
非热压罐固化技术
空
气
真空袋
真空 泵
复合材料 坯料
模 具
采用真空袋工艺制备预浸料型复合材料，预浸料制备和孔隙控制技术是关键
自动化制造技术
自动化制造技术-预浸料坯料制备
预浸料制备
切割
铺叠
成型 后固化
预浸料下料 脱模
铺叠毛坯
抽真空 预吸胶 (组装)
已固化的加强筋
未固化的蒙皮
整体成型是复合材料的优点和特点之一
复合材料制造技术发展趋势
共固化 T型 帽型
胶接
A340垂直安定面：零件数2000件→100件 A310、A330垂直安定面：零件数2000件
→20件
Pre和连接件数目 2）易于实现翼身融合体布局 3）增加机体表面光滑完整程度 4）避免钻孔，减少构件加工损伤