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先進復合材料比模量、比強度高（見表1），抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計和工藝性好，因此復合材料受到飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計師的青睞，當前飛機整體復合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)成為了發(fā)展的重要方向。

數(shù)十年來歐美發(fā)達國家實施了由政府和軍方組織、高校與科研機構(gòu)參加的多個復合材料發(fā)展計劃。這些計劃的實施突破了航空復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料、工藝等關(guān)鍵技術(shù)，推動了復合材料技術(shù)的迅速發(fā)展，起到了顯著的效果。

為了推動復合材料在飛機上大量應用，歐洲和美國從1986 年開始先后啟動了TANGO、ALCAS、ACT和CAI等計劃，見表2。

通過上述計劃的實施，大幅提升了復合材料在飛機結(jié)構(gòu)上的用量，F35 復合材料用量達到結(jié)構(gòu)重量的36%，A400M 達到40%，波音787 達到50%，空客A350 達到52%（見圖1）。

國外飛機復合材料中小結(jié)構(gòu)件仍采用預浸帶、層片自動裁剪、激光輔助定位/ 手工鋪層和熱壓罐固化等工藝技術(shù)，而在飛機主承力整體結(jié)構(gòu)件上不斷拓寬自動鋪帶、自動鋪絲、拉擠成形等高精度自動化成形技術(shù)的應用，在次承力整體結(jié)構(gòu)件上拓展低成本的液體成形技術(shù)，并推出了相應的高性能碳纖維和基體樹脂，已獲得高性價比的飛機復合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

日本和美國等發(fā)達國家的碳纖維已經(jīng)形成了系列化的生產(chǎn)供應體系。最具代表性的是日本東麗公司形成了從T300 到T1000 的T 系列碳纖維產(chǎn)品，東麗公司的碳纖維產(chǎn)品主要分為3 個系列：T 系列（T300、T400、T700、T800、T1000）碳纖維、M 系列碳纖維和MJ 系列碳纖維。美國Hexcel 公司20 世紀70 年代開發(fā)了AS 系列PAN 基標準模量碳纖維（包括AS4、AS4C、AS4D 及AS6 等碳纖維），還開發(fā)了IM 系列PAN 基碳纖維，形成了IM6、IM7、IM8、IM9、IM10 等系列產(chǎn)品，見表3。

高溫固化樹脂基復合材料形成了標準韌性、中等韌性、高韌性和超高韌性樹脂基體系列?；拘铜h(huán)氧樹脂基復合材料（標準韌性）的CAI 值大約為100MPa~190MPa（如3501-6/AS-4 等復合材料）；第一代韌性環(huán)氧樹脂基復合材料（中等韌性）的CAI 值大約為170~250MPa（如R6376/T300、977-3/IM7 等復合材料）；第二代韌性環(huán)氧樹脂基復合材料（高韌性）的CAI 值大約為245~315MPa（如8552/IM7、977-2/IM7 等復合材料）；而第三代韌性環(huán)氧樹脂基復合材料（超高韌性）的CAI 值已經(jīng)達到了315MPa 以上（如3900-2/ T800、977-1/ I M7、5276-1/IM7 和8551-7/IM7 等復合材料），參見圖2。

高性能碳纖維及高韌性樹脂復合材料的出現(xiàn)，使復合材料在飛機結(jié)構(gòu)上的應用已由原先的次承力結(jié)構(gòu)發(fā)展到機翼、機身等主承力結(jié)構(gòu)。復合材料在民機（以波音787 和空客A380 大型客機為例）主結(jié)構(gòu)上的應用情況如表4 所示。從表4 可以看出，國外民機主結(jié)構(gòu)在選材上采用了由T800 或相當于T800 的高強中模碳纖維與高溫固化高韌性環(huán)氧樹脂復合的高韌性復合材料，以滿足復合材料主結(jié)構(gòu)的設(shè)計損傷容限要求。

復合材料在軍機（以F-22 為例）主結(jié)構(gòu)上的應用情況如表5 所示。從表5 可以看出，美國軍機主結(jié)構(gòu)在選材上采用了由IM7 高強中模碳纖維與高溫固化高韌性環(huán)氧樹脂復合的高韌性復合材料，以滿足復合材料主結(jié)構(gòu)的設(shè)計損傷容限要求。

先進飛機為獲得最好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟效益，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中不斷追求高減重、低成本和長壽命的目標，為此，新一代飛機結(jié)構(gòu)的整體化大幅提升：將十幾個零件甚至幾十個零件集成為尺寸從十幾米到幾十米的整體結(jié)構(gòu)，盡量減少由于連接所付出的重量、連接所引起的應力集中以及眾多中小零件制造、裝配所需的工時和工裝，以降低制造和維護成本。因此復合材料整體化結(jié)構(gòu)的應用已成為新一代飛機結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。

空客A350XWB 復合材料機翼“T”形加筋壁板（見圖3）和波音787復合材料機翼采用“工”字型加筋壁板等。大型飛機復合材料機翼壁板的制造：固化成形方式，考慮到經(jīng)濟性和質(zhì)量可靠性一般采用筋條和蒙皮進行膠接共固化，也有采用共固化和二次膠接的成形方式；蒙皮鋪層采用自動鋪帶技術(shù)；長桁組裝采用精確的定位技術(shù)；固化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，重點考慮溫度場的均勻性及熱膨脹的影響，模具材料一般為殷瓦鋼。

（1）帶工字型墻的多墻盒段的成形固化工藝

帶工字型墻的多墻盒段的成形可采用整體共固化工藝、膠接共固化工藝或二次膠接工藝。鋪層單元的劃分和芯模設(shè)計除考慮鋪層的可行性、工裝裝卸方便、固化過程施壓均勻外還應滿足成形后結(jié)構(gòu)筋條頂部外形的協(xié)調(diào)性和尺寸的精準。產(chǎn)品生產(chǎn)中上、下模合模及芯模位置控制是固化或膠接質(zhì)量及外形精度的重要保證，參見圖4。

（2）帶π 筋條的多墻盒段的成形固化工藝

帶π 筋條的蒙皮壁板和復合材料墻（蜂窩或泡沫夾層壁板等）分別進行共固化成形后，在兩塊壁板π結(jié)構(gòu)內(nèi)涂上糊狀膠，與墻先后組裝，再固化成形（圖5）。該方案模具設(shè)計和裝配工裝設(shè)計是保證上下壁板π 筋條位置的精確對應的關(guān)鍵。所采用的膠粘劑的流動性及固化溫度有特定要求。

國外采用的自動化制造技術(shù)主要有自動鋪帶、絲束自動鋪放等技術(shù)，是大型復合材料壁板及復合材料機身筒體制造的唯一手段，并顯著提高了復合材料生產(chǎn)效率和制件內(nèi)部質(zhì)量，降低了成本，使復合材料性能最優(yōu)化和低成本并存成為可能。圖6 表征了自動鋪帶及絲束自動鋪放技術(shù)的應用和發(fā)展情況。

自動鋪帶技術(shù)可以實現(xiàn)預浸帶裁剪、定位、鋪疊、輥壓等工序連續(xù)自動完成。廣泛應用于中小曲率的大型壁板構(gòu)件的鋪層，與手工鋪放相比，質(zhì)量穩(wěn)定，制造成本降低30%~50％。

自動鋪帶技術(shù)在歐美已經(jīng)成熟，鋪帶機機械系統(tǒng)、CAD/CAM 軟件、鋪放工藝技術(shù)大規(guī)模應用于航空復合材料結(jié)構(gòu)件的制造，B1、B2 轟炸機，NavyA6 轟炸機，F(xiàn)-22 戰(zhàn)斗機和波音787、777 飛機，A380 和A400M 等飛機的機翼蒙皮，以及C-17 運輸機、A330、A340 的水平安定面蒙皮和一些飛機的中央翼盒及機翼大梁等均采用了自動鋪帶技術(shù)制造，見圖7。

自動鋪絲技術(shù)克服了纏繞工藝難以解決的架橋、滑移以及自動鋪帶在鋪疊帶臺階的翼面、小曲率半徑的凹面難以解決的瓶頸問題，可以實現(xiàn)復雜形狀整體結(jié)構(gòu)件三維軌跡的連續(xù)絲束鋪放，可以根據(jù)運行軌跡的鋪覆寬度自適應地調(diào)整絲束寬度，實現(xiàn)帶凸面、凹面及臺階、變厚、拐角等復雜內(nèi)型曲面結(jié)構(gòu)的鋪放。

國外自動鋪絲設(shè)備有2 種結(jié)構(gòu)，立式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)。臥式結(jié)構(gòu)更適用于封閉的筒體復合材料構(gòu)件的鋪疊， 立式結(jié)構(gòu)更適合于大型機身類壁板復合材料構(gòu)件的鋪疊。

自動鋪絲技術(shù)在航空領(lǐng)域具有代表性的應用有:V-22 飛機的后機身、F-22 和F35 復合材料S 形進氣道、波音787 的機身段、A380 后機身，如圖8 所示。

復合材料結(jié)構(gòu)液體成形方法主要應用于除機翼主承力翼面、機身主承力筒體外的復雜、次承力整體結(jié)構(gòu)成型。液體成形技術(shù)主要包括預制體制備和RTM、RFI 及VARI 樹脂轉(zhuǎn)移技術(shù)。

預制體制備技術(shù)指采用織物縫合的方法制成零件結(jié)構(gòu)的骨架的技術(shù)。預制體制備是液體轉(zhuǎn)移成形技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？p合預制體采用縫紉機對鋪貼好的織物進行縫合，增強織物的縱向連接，滿足復合材料抗沖擊的要求，采用縫紉的方法連接各零件的疊層塊，形成結(jié)構(gòu)的預制體。

縫合設(shè)備的選用：對于平板件和曲率小的結(jié)構(gòu)件采用龍門式縫合設(shè)備；對于帶有復雜外形的結(jié)構(gòu)件采用機械手縫合設(shè)備。

RTM 成形方法即樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形方法：在模具型腔內(nèi)鋪放纖維增強預成形體，抽真空排除預成形體和模腔內(nèi)的氣體，應用壓力將樹脂注入到閉合的模腔內(nèi)，直至整個型腔內(nèi)的纖維增強預成形體完全被浸潤，最后進行固化。RTM 技術(shù)已廣泛應用于次承力整體結(jié)構(gòu)，如垂尾級整體結(jié)構(gòu)制造（圖9）。

VARI（真空輔助樹脂滲透成形）技術(shù)是在RTM 成形工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的另一種成形技術(shù)。旨在對預制體件在真空環(huán)境下脫氣，并實現(xiàn)樹脂的流動和對纖維的滲透。通過溢出多余的樹脂控制樹脂含量，并帶走樹脂中裹入的氣泡，最后在室溫或加熱條件下進行固化成形。VARI 成形復合材料結(jié)構(gòu)件空隙含量一般比層壓板結(jié)構(gòu)件孔隙率低。

VARI 成形工藝由于樹脂的流動僅靠真空牽引遠遠小于RTM 的注射壓力，因此成形時，要求樹脂粘度更低，流動路徑更短。適用于制造室溫和中溫成形的特大型復合材料構(gòu)件，圖10 為VARI 成形技術(shù)的典型應用。

RFI 成形工藝即樹脂膜滲透成形，是復合材料液體成形工藝的一種。其主要原理是在預制體與模具之間按結(jié)構(gòu)的要求鋪設(shè)樹脂膜，固化過程中樹脂膜受熱熔化，在真空及壓力作用下樹脂液體滲透到預制體相應部位并完成固化成形。RFI 技術(shù)已用于A380 的機翼后緣和后壓力隔框，波音787 機身的大部分隔框等飛機結(jié)構(gòu)。

結(jié)束語

國外復合材料技術(shù)較系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展計劃促進了高性能碳纖維、高溫高塑性樹脂基體和先進的復合材料自動化制造技術(shù)、液體成形技術(shù)不斷發(fā)展，推動了復合材料整體結(jié)構(gòu)在飛機上的應用，大幅提升了新一代飛機復合材料用量。國外飛機結(jié)構(gòu)復合材料技術(shù)的發(fā)展可作為我國新一代飛機結(jié)構(gòu)采用復合材料技術(shù)的借鑒。