(可用)航空預(yù)浸料_熱壓罐工藝復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用概況

1、26航空制造技術(shù)2011年第20期專稿FEATURE方面，呈現(xiàn)出以預(yù)浸料熱壓罐工藝為主，積極開發(fā)液體成型工藝及其他低成本成型工藝的態(tài)勢(shì)，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的制造綜合考慮性能成本因素；在結(jié)構(gòu)方面，隨著全復(fù)合材料飛機(jī)[4]設(shè)計(jì)理念的廣泛認(rèn)知，復(fù)合材料已逐漸在主承力結(jié)構(gòu)上站穩(wěn)了腳跟，而且，為了進(jìn)一步將復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越趨向于整體化和大型化。復(fù)合材料在主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用技術(shù)是體現(xiàn)航空復(fù)合材料水平及應(yīng)用程度的重要標(biāo)志。目前復(fù)合

2、材料主承力構(gòu)件仍是以預(yù)浸料熱壓罐工藝為主?；诖?，本文旨在介紹目前與航空預(yù)浸料熱壓罐工藝相關(guān)的復(fù)合材料技術(shù)。主承力結(jié)構(gòu)用預(yù)浸料1高性能復(fù)合材料體系航空預(yù)浸料熱壓罐工藝復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用概況中航工業(yè)北京航空制造工程研究所梁憲珠孫占紅張鋮劉天舒雖然近年來(lái)各種各樣的低成本制造技術(shù)層出不窮，也在航空飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造當(dāng)中得到較大的應(yīng)用，但預(yù)浸料熱壓罐工藝仍以其優(yōu)異的產(chǎn)品質(zhì)量占據(jù)著重要的地位。且隨著自動(dòng)化、數(shù)字化水平的不斷提高及相關(guān)技術(shù)的不斷完

3、善，其一直讓人詬病的成本高、周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)也逐漸得到了改善，并被相關(guān)領(lǐng)域的人們所接受。ApplicationStatusofPrepregAutoclaveCompositesTechnologyinAviation先進(jìn)復(fù)合材料自問(wèn)世以來(lái)，由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)勢(shì)，一直在航空材料領(lǐng)域得到重視。隨著近幾十年來(lái)的發(fā)展，尤其是最近10年在大型飛機(jī)上井噴式的應(yīng)用，先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)證明了其在未來(lái)航空領(lǐng)域的重要地位，它在飛機(jī)上的用量

4、和應(yīng)用部位也已經(jīng)成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一[1]。如目前代表世界最先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的美國(guó)F22和F35，其復(fù)合材料占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量達(dá)到了26%（F22機(jī)身、機(jī)翼、襟翼、垂尾、副翼、口蓋、起落架艙門；F35機(jī)身、機(jī)翼、進(jìn)氣道、操縱面、副翼、垂尾），歐洲EF2000戰(zhàn)機(jī)更是達(dá)到了35%~40%（機(jī)翼、垂尾、方向舵）[2]；民機(jī)領(lǐng)域的兩大巨頭波音和空客，在其最新型的大型客機(jī)波音787、A350XWB機(jī)型中，大幅使用復(fù)合材料，分別達(dá)到50%和5

5、2%[3]在機(jī)身主承力結(jié)構(gòu)中，除一些特殊需要外，基本上實(shí)現(xiàn)了全復(fù)合材料化。從當(dāng)前新機(jī)型的復(fù)合材料應(yīng)用來(lái)看，航空復(fù)合材料具備以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：在材料方面，飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用高韌性復(fù)合材料；在工藝梁憲珠畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)，研究員，畢業(yè)至今一直從事飛行器復(fù)合材料制造技術(shù)研究工作，主持完成了多個(gè)型號(hào)的尾翼、機(jī)翼和機(jī)身復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目和預(yù)研課題。榮獲集團(tuán)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，國(guó)防科技進(jìn)步獎(jiǎng)

6、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。28航空制造技術(shù)2011年第20期專稿FEATURE裝配連接。目前，預(yù)浸料熱壓罐工藝的整體化制造技術(shù)可分為共固化、共膠接和二次膠接3種方案。每種均有各自的特點(diǎn)，因此需根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)和工藝要求來(lái)選擇相應(yīng)的整體化制造技術(shù)。在整體化制造中，各構(gòu)件之間連接區(qū)域的制造質(zhì)量得以保證是其中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗钦麄€(gè)結(jié)構(gòu)最為薄弱的環(huán)節(jié)。如盒段整體結(jié)構(gòu)中，骨架與蒙皮連接的R區(qū)（T形或π形接頭的拐角區(qū)域），與金屬相比，其弱點(diǎn)是

7、承受面外載荷的能力較差，因此需要使用一些手段對(duì)該位置面外拉伸方向的性能進(jìn)行加強(qiáng)。從目前的研究來(lái)看，ZPIN、縫合技術(shù)雖然能改善面外拉伸性能，但其對(duì)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)力學(xué)性能有一定的影響。針對(duì)整體化結(jié)構(gòu)R區(qū)的面外承載能力弱的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)有關(guān)研究在這方面獨(dú)辟蹊徑，從提高材料性能的角度，開發(fā)了ZXC195、ZXC190、ZXC185等系列增強(qiáng)芯材。該類增強(qiáng)芯材主要通過(guò)改善整體結(jié)構(gòu)中R區(qū)材料的韌性，來(lái)提高整體結(jié)構(gòu)接頭的面外承載能力，因此對(duì)于該區(qū)域結(jié)構(gòu)的面

8、內(nèi)性能沒有任何影響。目前，部分增強(qiáng)芯材已完成了相關(guān)整體化結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果[10]。2各主承力結(jié)構(gòu)成型工藝2.1壁板類成型工藝飛機(jī)復(fù)合材料壁板主要用于飛機(jī)尾翼、機(jī)翼和非筒體成型的機(jī)身。該類結(jié)構(gòu)主要由蒙皮和長(zhǎng)桁組成。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷過(guò)等代設(shè)計(jì)，早期復(fù)合材料制造的壁板通常是由各自成形好的蒙皮和長(zhǎng)桁通過(guò)機(jī)械連接組裝而成。這樣的方式增加了結(jié)構(gòu)的自重，不能很好地發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)。隨著復(fù)合材料整體化制造技術(shù)的出現(xiàn)，壁板

9、類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也逐漸擺脫了機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)了一體化制造。其制造工藝方案主要有以下幾類。（1）蒙皮與長(zhǎng)桁共固化。分別鋪疊蒙皮和長(zhǎng)桁；通過(guò)模具工裝將其組合在一起，接觸面鋪膠膜（或不鋪膠膜）；之后整體進(jìn)熱壓罐完成共固化。（2）蒙皮先固化，再與長(zhǎng)桁共膠接。先蒙皮固化；鋪疊長(zhǎng)桁，通過(guò)模具工裝將其固定在已固化好的蒙皮上，接觸面鋪膠膜，之后進(jìn)罐完成共膠接。（3）長(zhǎng)桁先固化，再與蒙皮共膠接。先固化長(zhǎng)桁，并進(jìn)行必要的機(jī)加；鋪疊蒙皮，通過(guò)模具工裝將固化的長(zhǎng)桁

10、與其組裝，接觸面鋪膠膜，之后進(jìn)熱壓罐完成共膠接。（4）二次膠接。分別固化蒙皮和長(zhǎng)桁；將長(zhǎng)桁進(jìn)行必要的加工；通過(guò)模具工裝將蒙皮與長(zhǎng)桁組裝，接觸面鋪膠膜，之后進(jìn)熱壓罐完成二次膠接。（5）混合工藝。該工藝主要用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壁板結(jié)構(gòu)。其制造工藝根據(jù)蒙皮和加筋的先后固化順序分為多種工藝方案，統(tǒng)稱為混合工藝。圖1為采用混合工藝成型的國(guó)內(nèi)某縱橫向加筋機(jī)身壁板。以上的壁板類制造工藝方案各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際的工藝方案制定時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮具體的

11、情況和相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)，來(lái)選用不同的成型工藝。2.2大長(zhǎng)細(xì)比長(zhǎng)桁和C形梁成型工藝在飛行器復(fù)合材料構(gòu)件中，有一類大長(zhǎng)細(xì)比的結(jié)構(gòu)件，如機(jī)翼長(zhǎng)桁、機(jī)翼C形梁、機(jī)身長(zhǎng)桁、機(jī)身地板梁等。這類構(gòu)件結(jié)構(gòu)雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但卻無(wú)法使用自動(dòng)鋪帶設(shè)備直接鋪疊出毛坯，如果用手工鋪疊卻又不能在成本和周期上滿足批量生產(chǎn)的要求?；谶@類構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征，國(guó)內(nèi)外工藝研發(fā)人員相繼開發(fā)出了基于自動(dòng)鋪帶技術(shù)的適用于大長(zhǎng)細(xì)比構(gòu)件的毛坯制備工藝。（1）隔膜成型。隔膜成型工藝是在歐洲推

12、出的ALCAS計(jì)劃中，開發(fā)的一種用于加工飛機(jī)前梁的一種典型成型工藝方法。隔膜成型原是一種為熱塑性復(fù)合材料開發(fā)的成型工藝，后發(fā)現(xiàn)用于熱固性復(fù)合材料具有很廣泛的用途。它具有成型過(guò)程中纖維不易滑動(dòng)、不易產(chǎn)生皺褶的特殊功效，非常適于加工大型飛機(jī)機(jī)翼前梁的C形截面[11]。在近年推出的A400M飛機(jī)的C形前梁的毛坯制備采用了這種工藝方法。需要指出的是，該工藝方法并非針對(duì)所有的預(yù)浸料都適用，相應(yīng)的樹脂應(yīng)具有一定的流動(dòng)性。有資料表明，空客A350XW