飛機(jī)復(fù)合材料先進(jìn)制造技術(shù)探究論文
[摘要]隨著先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)和工藝技術(shù)的迅速發(fā)展，復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用比例穩(wěn)步增長(zhǎng)，應(yīng)用部位從非承力、次承力結(jié)構(gòu)向主承力和核心部件擴(kuò)展，本文總結(jié)了近年來(lái)推動(dòng)復(fù)合材料發(fā)展的先進(jìn)材料技術(shù)和制造工藝技術(shù)。
1.引言
航空復(fù)合材料是一種由高強(qiáng)度、高剛度增強(qiáng)材料構(gòu)成的新型材料，具有良好的抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料是綜合權(quán)衡飛機(jī)減重、性能、成本三方面因素的理想材料，在飛機(jī)上大量應(yīng)用可以明顯減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)的性能。
2.航空先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展分析
復(fù)合材料原材料方面，航空用各種樹脂基復(fù)合材料水平有大幅度提高。在碳纖維材料方面，大絲束12k、24k已逐漸代替3k及6k，高強(qiáng)度的T700S及T800S已開始廣泛生產(chǎn)。以977-3/IM7和3900/T800S為代表的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料已發(fā)展到第二代，其CAI達(dá)到245～315MPa，堪稱首屈一指。以5250-4/IM7為代表的雙馬基高溫復(fù)合材料已發(fā)展到第二代，工作溫度達(dá)到177℃，廣泛用于飛機(jī)高溫部位。
聚酰亞胺復(fù)合材料廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部位，缺點(diǎn)是含二氨基二苯甲烷（MDA）有毒，美國(guó)研究出無(wú)MDA的預(yù)浸帶可用于發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)；因鈦合金稀缺，聚酰亞胺預(yù)浸帶正研究用來(lái)代替500℃以下的鈦合金。美國(guó)Amber公司開發(fā)的C740阻燃氰酸乙酯樹脂與碳纖維組成的材料固化后工作溫度可達(dá)344℃，可用作無(wú)人機(jī)S-100的尾噴管及發(fā)動(dòng)機(jī)。
3.航空復(fù)合材料先進(jìn)工藝技術(shù)發(fā)展分析
航空復(fù)合材料先進(jìn)工藝技術(shù)方面，數(shù)字化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、低成本技術(shù)以及先進(jìn)工藝裝備的應(yīng)用和發(fā)展，推動(dòng)了復(fù)合材料工藝技術(shù)從以手工制造、模擬量傳遞為特征的傳統(tǒng)技術(shù)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰詣?dòng)化制造、數(shù)字量傳遞為特征的先進(jìn)技術(shù)，目前在航空復(fù)合材料中得到廣泛認(rèn)可和推廣應(yīng)用的先進(jìn)制造技術(shù)如下：
3.1數(shù)字化技術(shù)廣泛應(yīng)用
采用數(shù)字量形式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面描述和數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造之間的無(wú)縫對(duì)接。目前復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化制造主要體現(xiàn)在預(yù)浸料自動(dòng)下料、激光鋪層定位和纖維自動(dòng)鋪放等方面。
3.2自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展
自動(dòng)鋪疊可成型超大尺寸和形狀復(fù)雜的復(fù)合材料制件，而且質(zhì)量穩(wěn)定，工件凈近成形，加工切削加工及原材料耗費(fèi)減少。自動(dòng)鋪帶及絲束鋪放的材料利用率達(dá)到80%～97%，而手工鋪層的材料利用率僅為40%，先進(jìn)鋪帶技術(shù)可降低制造成本30%～50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年前全球只有不足100臺(tái)自動(dòng)化復(fù)合材料鋪層機(jī)，到2007年全球擁有自動(dòng)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造用機(jī)器人設(shè)備250臺(tái)。2007年大型民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)只有43%是用自動(dòng)化制造的，預(yù)計(jì)10年內(nèi)將達(dá)到64%。
復(fù)合材料自動(dòng)化技術(shù)包括自動(dòng)鋪帶技術(shù)（ATL）和自動(dòng)鋪絲（AFP）技術(shù)。目前最先進(jìn)的第五代鋪帶機(jī)是帶有雙超聲切割刀和縫隙光學(xué)探測(cè)器的十軸鋪帶機(jī)，鋪帶寬度最大可達(dá)到300mm，鋪帶速度達(dá)（1.3～20.4）kg/h，生產(chǎn)效率可達(dá)到手工鋪疊的數(shù)十倍。所有波音787翼面及翼盒構(gòu)件均采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造。
針對(duì)復(fù)雜雙曲率型面，由Hercules率先開發(fā)了自動(dòng)絲束鋪放（ATP）。其結(jié)合了自動(dòng)鋪帶和纖維纏繞技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，鋪束頭把纏繞技術(shù)所用的不同預(yù)浸紗束獨(dú)立輸送和鋪帶技術(shù)所用的`壓實(shí)、切割、重送功能結(jié)合在一起，由鋪束頭將數(shù)根預(yù)浸紗束在壓輥下集束成為一條寬度可變的預(yù)浸帶，然后鋪放在芯模表面，鋪放過(guò)程中加熱軟化預(yù)浸紗束并壓實(shí)定型。目前最新的Viper6000系統(tǒng)可以鋪放并控制32個(gè)纖維束，每束寬3.2mm，鋪層帶寬達(dá)到10.2cm，鋪絲速度可達(dá)6.8～11.3kg/h，最高可達(dá)23kg/h，絲束的鋪放精度達(dá)到±1.3mm。
除廣泛采用自動(dòng)化鋪層設(shè)備外，還廣泛采用了大型自動(dòng)化高速噴水切割機(jī)、超聲切割機(jī)、數(shù)控自動(dòng)化鉆鉚機(jī)、大型剪切螺栓緊固機(jī)等。
3.3液態(tài)成型、非熱壓罐固化等多種工藝日趨成熟
VARTM技術(shù)是目前液態(tài)成形技術(shù)中發(fā)展得較為完善的一種，在CRJ700/900支線飛機(jī)、A380、787機(jī)身后壓力隔框及A400M貨艙門上廣泛應(yīng)用了VAP技術(shù)，纖維體積密度達(dá)到65%，孔隙率小于0.2%。非熱壓罐固化雖會(huì)使纖維體積含量減少，但其影響甚小，如在VARTM技術(shù)中，單向帶及織物的纖維體積含量已分別達(dá)到60%和56%，而熱壓罐固化所能達(dá)到的相應(yīng)值也僅為62%和58%。
較之VARTM和RTM更接近傳統(tǒng)方法的是采用為非熱壓罐固化開發(fā)的專用預(yù)浸料，然后在固化爐中固化。目前，先進(jìn)復(fù)合材料公司的首個(gè)熱壓罐外固化復(fù)合材料MTM44-1已取得空客認(rèn)可用做結(jié)構(gòu)件。
3.4先進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用
復(fù)合材料制件無(wú)損檢測(cè)設(shè)備主要需要配置大型超聲C掃描設(shè)備和X光無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。此外激光剪切攝影及激光超聲檢測(cè)也是主要發(fā)展方向。
在超聲檢驗(yàn)技術(shù)上最重要的進(jìn)展之一是相控陣檢驗(yàn)的開發(fā)。相控陣超聲檢驗(yàn)與傳統(tǒng)超聲檢驗(yàn)相比，改進(jìn)了探測(cè)的概率，并明顯加快了檢驗(yàn)速度。
波音及空軍實(shí)驗(yàn)室等采用了一批先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。波音公司的移動(dòng)式自動(dòng)掃描機(jī)（MAUS）C掃描系統(tǒng)，檢測(cè)速度9.3m2/h；空軍實(shí)驗(yàn)室的激光超聲檢驗(yàn)速度是水浸超聲探傷的10倍。此外還有電子剪切成像、相控陣超聲等多種方法。
3.5大型工藝裝備的建立
波音787的機(jī)翼固化用熱壓罐8m×40m，機(jī)身固化熱壓罐9m×23m。A380固化用熱壓罐9m×42m，為世界之最。此外還有Viper6000自動(dòng)鋪放機(jī)、大型噴水切割機(jī)、隔膜成形機(jī)以及自動(dòng)鉆鉚機(jī)等也是重要的大型設(shè)備。
大型構(gòu)件的模具重量太大，重達(dá)45360kg，采用復(fù)合材料作模具，使波音787的后機(jī)身模具重量降低60%。目前還在開發(fā)氣相沉積薄殼鎳基合金模具，低溫固化復(fù)合材料制的模具、碳泡沫模具以及納米技術(shù)改性模具等。
3.6手工鋪層在次承力結(jié)構(gòu)制造中仍不可替代
手工鋪層在定貨量小，質(zhì)量要求高的場(chǎng)合仍廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是可使蒙皮厚度有大的變化，進(jìn)行局部加強(qiáng)。目前手工鋪層使用了許多專用設(shè)備來(lái)控制和保證鋪層的質(zhì)量，如復(fù)合材料預(yù)浸料自動(dòng)剪裁下料系統(tǒng)、鋪層激光定位系統(tǒng)等，從而將依賴于樣板的制造過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榭筛鶕?jù)復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行全面運(yùn)作的制造過(guò)程。在某些形狀復(fù)雜的次承力構(gòu)件制造中，手工鋪層仍是不可取代的。手工鋪層的缺點(diǎn)是要求鋪層人員有很高的技藝和施工經(jīng)驗(yàn)，手工鋪貼費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率低、成本高（占總成本的1/4），難以適應(yīng)大批量生產(chǎn)和大型復(fù)雜復(fù)合材料制件的生產(chǎn)要求。
4.結(jié)論
先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用和發(fā)展很大程度上取決于復(fù)合材料技術(shù)和工藝制造技術(shù)的快速進(jìn)步。在目前及未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，在適當(dāng)保留傳統(tǒng)手工制造的基礎(chǔ)上，耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度等高性能復(fù)合材料及數(shù)字化、自動(dòng)化、低成本制造技術(shù)是航空復(fù)合材料發(fā)展的主要方向。
參考文獻(xiàn)
[1] 益小蘇.先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究與發(fā)展[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2016，（5）.
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