航空复合材料制造技术发展

AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY

航空科学技术

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先

进复合材料具有高比强、高比模、耐疲劳、多功能、各向异

性和可设计性、材料与结构的同一性等优异性能。自20世纪60年代问世以来，先进复合材料获得广泛应用，成为航空航天四大材料之一。

随着飞行器向高空、高速、无人化、智能化、低成本化方向发展，以及复合材料性能和制造技术的不断突破，复合材料在战斗机、大型军用运输机、无人机以及民用飞机上必将占有重要地位。本文对复合材料零件成形技术和预形件制造技术的发展做简要概述。

零件成形技术

复合材料零件成形技术是在满足零件外形的情况下，不损伤纤维并确保它们合理地分布在基体中而不产生重大空隙的工艺方法。目前在飞机机体上采用的复合材料零件成形技术主要有以下几种。

1） 树脂转移模塑成形技术（RTM ）

树脂转移模塑成形技术是一种低成本复合材料制造方法，最初主要用于飞机次承力结构件，如舱门和检查口盖。1996年美国防务预研局开展了高

航空复合材料制造技术发展

Composite Material Forming Technology Development

强度主承力构件的低成本RTM 制造技术研究，从而使中小型复合材料RTM 零件获得了较广泛的应用，而大型RTM 件也在F -35的垂尾上应用成功。该方法的优点是环保、形成的层合板性能好且双面质量好，不仅能够减少制造工时，而且由于能够成形大型整体件，使装配工作量减少。但是树脂通过压力注射进入模腔形成的零件存在着孔隙含量较大、纤维含量较低、树脂在纤维中分布不匀、树脂对纤维浸渍不充分等缺陷，因此还有改进潜力。

由于RTM 技术还存缺点，因此，又开发了真空辅助树脂注塑成形(V ARI)技术。辅助树脂被织物吸收，不仅可降低孔隙率，使预成形纤维更紧密，而且由真空形成的负压，可使树脂沿着真空通路沿预成形体各层面流动，从而充分浸渍纤维，并使纤维/树脂分布均匀。该技术适用于中小尺寸、形状复杂的产品。A380前后机身部分组件及襟副翼部分肋与铰链，波音787起落架支架，普惠公司PW4000风扇机匣，PW4084、PW4168风扇静子的制造都运用了RTM 技术；CFM 国际公司下一代Leap -X 发动机的风扇叶片将采用三维编织RTM 技术制造。该技术在

应用过程中有几项关键技术要解决：充填过程模拟技术、热传递和固化反应研究、注射方法研究、RTM 设备研究。未来发展是降低工装成本、提高结构件性能、减少废品率。

2） 树脂浸渍技术（RFI ）RFI 工艺是一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种低成本复合材料成形技术。该技术由于只采用传统的真空袋压成形方法，免去了RTM 工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工，在制造出优异的制品的同时大大降低了制品的成本，目前主要应用于飞机雷达天线罩。该工艺虽然不采用热压罐固化零件，但还需要真空袋系统进行固化，而且工艺温度要求高，所以要求核心材料和工装能够承受高温。RFI 适用于大平面或不太复杂的曲面。A380的机翼后缘和后压力隔框，波音787机身的大部分隔框，GEnx 的风扇机匣都是采用RFI 技术制造。RFI 的关键工艺技术包括：预形件成形（三维编织及缝合等技术）、树脂流动模拟及控制、编织及缝合设备研究。

3） 纤维缠绕（Filament Winding ）该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件，如管路及油箱。纤维束通过一

摘　要: 本文从复合材料成形特点出发，针对在航空工业应用广泛的预形件成形和结构成形各项技术进行了全面系统的介绍，并对其应用情况以及发展难点和趋势作了简要概述。关键词：航空制造；复合材料；先进工艺

任晓华/中国航空工业发展研究中心

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个树脂池浸渍后缠绕到芯轴上，缠绕方向和速度由纤维进给装置控制。这是一项已经发展较为成熟的技术，无论是在自动化、速度、厚度变化、质量和纤维方向上都得到了巨大改进。它是筒形件的低成本快速制造方法。在GEnx 风扇包容机匣预形件的制造中，采用了一种编织带缠绕技术，即将编织好的石墨纤维带通过滚筒在芯轴上缠绕数十层，制成预形件。CFM56、GE90， PW4084和 “遄达”800发动机都采用了芳纶纤维缠绕的风扇包容机匣，替代了以前的不锈钢结构，使重量减轻了35%~50%。在克服了成本高、自动化程度低的缺点后，可能用于昂贵的钛合金接头和发动机叶片等。

4） 自动铺带技术（ATL ）ATL 采用有隔离衬纸的单向预浸带，剪裁、定位、铺叠、辊压均采用数控技术自动完成，由自动铺带机实现。按所铺放构件的几何特征，自动铺带机可分为平面铺带和曲面铺带，系统由台架系统和铺带头组成。自动铺带机已经发展到第五代，即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 ，生产效率达到每周1000kg ，是手工铺叠的数十倍。目前，多铺放头铺带机和针对特定构件的专用化铺带机是美国的发展重点，双头两步法、多带平铺放和超声切割复合化是欧洲的发展重点。ATL 技术的典型应用为小曲率的大型复合材料构件，如翼盒和翼面类构件的蒙皮。波音777的尾翼蒙皮，波音787的中央翼盒、主翼盒、尾翼蒙皮，空客A330/A340的襟翼、水平安定面蒙皮，A380的中央翼盒、尾翼蒙皮等都采用了A TL 技术制造。

5） 自动铺丝技术（AFP ）自动铺丝技术相对较新并在近年

格外受到关注。它兼顾了自动铺叠与纤维缠绕的优点。能够制造复杂形状结构件，对纤维角度不限制。而且具有极大减少生产成本的潜力。与自动铺带相比，自动铺丝技术可以成形更复杂的结构件，材料消耗率低，对应不同曲率的不同需求，自动铺丝机可适应3.2mm~25.4mm 宽的预浸丝束。典型的自动铺丝机系统包括7个运动轴和12~32个丝束输送轴，目前最先进的自动丝束铺放机，可铺多种构件，具有高敏捷性和准确性，以及良好的操作性。AFP 技术的典型应用为大曲率机身和复杂曲面的成形，如机身蒙皮。空客A380的后机身段，波音787的各段机身都是采用AFP 技术分段制造的，A350前后翼梁也将采用AFP 技术制造。GE90发动机的复合材料宽弦风扇叶片制造中也采用了该技术。未来的开发重点包括控制系统优化、铺放头位置反馈、在线快速检测等。

2 预形件制造技术

复合材料预形件制造技术主要是增强二维复合材料叠层结构在厚度方向的强度，以提高层间和断裂强度。

1） 缝合技术(stitching)

缝合织物增强复合材料是采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材料。它通过引用贯穿厚度方向的纤维来提高抗分层能力，提高层间强度、模量、抗剪切能力、抗冲击能力、抗疲劳能力等力学性能，从而满足结构件的性能需求。

截至目前，大部分的缝合复合材料结构都是以美国NASA 为主开发的。其中最为著名的是采用波音公司开发的28m 长的缝合机制造飞机机翼蒙皮复合材料预形件。该缝合机能够缝合超过

25mm 厚的碳纤维层，缝合速度达3000针/分。除了缝合蒙皮预形件外，还可缝合加强筋。缝合完成后采用树脂浸渍（RFI ）技术进行加热和加压。这样生产出的结构件相对于同样的铝合金零件重量减少25%，成本降低20%。

在欧洲，EADS 也开发了此类技术，利用该技术首先制造的零件是A380后机身压力隔框，材料为干态碳纤维预形件，比黏性的预浸料易于处理。每片复合材料使用自动缝合机连接在一起，可靠性和可重复性好。

2） 纵向加强技术（Z -pinning ）Z -pinning 是复合材料结构三维加强的一种简单方法，在多个方面优于缝合技术，但不能用于制造预形件。该工艺是利用薄的销棒以正确的角度在固化前或固化时插入二维的碳纤维环氧复合材料层板中，从而获得三维增强复合材料结构。Z 向销棒可以是金属材料（一般是钛合金），也可采用非金属材料（一般采用碳纤维环氧复合材料）。复合材料的销棒直径一般是0.25mm 或0.5mm 。将销棒插入的方式有两种，一是采用真空袋热压的方法，二是采用超声技术。真空袋热压法更适合于相对大或无障碍部位，而超声法则对难以到达的部位或局部需要加强的结构更为有效。另外，超声法还可将金属销棒插入已固化的复合材料中实现分层复合材料的修理。

纵向加强与缝合技术极大地改进了复合材料的断裂韧性，意味着复合材料能够承受更高冲击强度和剥离应力。事实上，Z 向增强技术已用于GE90发动机风扇叶片。该技术也适用于泡沫夹芯蒙皮结构，使其挤压强度达到传统铝蜂窝结构的3倍。Z 向增强技术比缝合技术更有发展潜力，主要是因为可节省高成本的缝合机，尺寸