付天宇

摘 要：由于復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)及良好的抗疲勞損傷性能和耐腐蝕性能的優(yōu)點(diǎn)，大批飛機(jī)零、部件相繼采用復(fù)合材料，并且采用復(fù)合材料的部位、面積和重量也日趨增加。將先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中可相應(yīng)減重20%～30%，這是其他先進(jìn)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)的效果。復(fù)合材料已成為鋁、鋼、鈦之后，迅速發(fā)展的四大航空材料之一，所占比例也越來(lái)越高，在民用飛機(jī)上獲得了大量應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代大飛機(jī);復(fù)合材料應(yīng)用;制造技術(shù)

復(fù)合材料工藝技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)民用飛機(jī)大部件的整體設(shè)計(jì)與整體制造提供了可能，使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)零部件的數(shù)量大大減少，提高了飛機(jī)的生產(chǎn)效率和可靠性。目前采用復(fù)合材料取代金屬和非金屬等常規(guī)材料制造結(jié)構(gòu)件已經(jīng)成為世界民機(jī)制造業(yè)的主流趨勢(shì)，這對(duì)中國(guó)自主研制的大型民用飛機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)

一、大型飛機(jī)復(fù)合材料制造技術(shù)

1.1 復(fù)合材料成本過(guò)高仍是制約飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用復(fù)合材料的主要障礙，造成成本下不來(lái)、用量上不去的狀況。復(fù)合材料成本的70%以上來(lái)自制造工藝，因此，低成本的制造技術(shù)仍是復(fù)合材料發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前，國(guó)外復(fù)合材料最新的制造理念是整體制造（即盡量將復(fù)合材料設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)），采用諸如像自動(dòng)鋪放、共固化或共膠接等技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體制造。在滿足結(jié)構(gòu)總體性能要求的前提下，復(fù)合材料整體成型技術(shù)的意義在于可以通過(guò)減少零件數(shù)目、緊固件數(shù)量和協(xié)調(diào)/連接裝配工作量進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量，降低成本（尤其是制造成本）。同時(shí)，由于相應(yīng)釘孔數(shù)量下降，可改善結(jié)構(gòu)的承載能力，采用整體成型技術(shù)還可以減少分段、對(duì)接、間隙和臺(tái)階，使機(jī)體表面光滑，降低RCS值，提高隱身性能。

1.2 采用自動(dòng)鋪放技術(shù)可顯著降低具有復(fù)雜形狀復(fù)合材料構(gòu)件的制造成本。最早的自動(dòng)鋪放技術(shù)研究始于復(fù)合材料機(jī)身的制造，由于采用纏繞技術(shù)制造機(jī)身時(shí)纏繞張力使凹面產(chǎn)生縫隙，并使纖維滑移而偏離原來(lái)位置，且傳統(tǒng)的纏繞工藝無(wú)法有效改變厚度，纖維鋪放技術(shù)解決了上述問(wèn)題，在大型復(fù)雜型面上鋪放和壓實(shí)連續(xù)預(yù)浸纖維，使得纖維在芯模上的鋪放完全在無(wú)壓力狀態(tài)下進(jìn)行;鋪放預(yù)浸帶時(shí)可按要求調(diào)整其寬度，還能通過(guò)加熱或冷卻調(diào)節(jié)其粘度，自動(dòng)鋪放精度可達(dá)0.005ram。自動(dòng)鋪放（ATL/AFP）自動(dòng)化制造技術(shù)可以提高制件質(zhì)量和工藝效率，減少零件數(shù)量，降低制造及裝配成本，目前該技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。

1.3 自動(dòng)鋪帶適用于尺寸較大，曲率相對(duì)較小的零件，如整體壁板類零件、大梁、長(zhǎng)桁等，而纖維自動(dòng)鋪放適用于尺寸較大，形狀相對(duì)較復(fù)雜的零件，如機(jī)身段、進(jìn)氣道等。目前哈飛集團(tuán)已經(jīng)引進(jìn)了自動(dòng)鋪帶設(shè)備，下面以自動(dòng)鋪帶為例，簡(jiǎn)要介紹機(jī)翼整體壁板的制造流程。大型飛機(jī)機(jī)翼整體壁板結(jié)構(gòu)尺寸較大，不適于手工制造，只能采用自動(dòng)鋪帶制造技術(shù)。整體壁板分為包括橫、縱向加強(qiáng)筋的格柵式整體壁板和只包括橫向加強(qiáng)筋的整體壁板。加強(qiáng)筋還分為工字形、T形等結(jié)構(gòu)形式，帶有工字形加強(qiáng)筋的格柵式整體壁板成型最為復(fù)雜，而只帶有橫向T形加強(qiáng)筋的整體壁板相對(duì)較易制造，但無(wú)論采用何種形式，其制造流程基本是一致的。

二、復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)中的應(yīng)用

復(fù)合材料呈多層次結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于金屬材料，大型結(jié)構(gòu)件的整體成型和集成制造使得問(wèn)題更加復(fù)雜化，因此其在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用歷經(jīng)坎坷。波音B757和波音B767中復(fù)合材料占總質(zhì)量的4%;波音B777和空客A340中復(fù)合材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到11%和14%;對(duì)于空客A380，復(fù)合材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%;對(duì)于代表當(dāng)今世界民用飛機(jī)制造技術(shù)最高水平的波音B787和空客A350，復(fù)合材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)50%和52%。

可以說(shuō)，先進(jìn)復(fù)合材料質(zhì)量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的多少，在某種程度上已經(jīng)成為評(píng)價(jià)該飛機(jī)技術(shù)先進(jìn)程度和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要指標(biāo)。從國(guó)外的情況來(lái)看，復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為如下發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)越來(lái)越大

以空中客車公司為例，復(fù)合材料占飛機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從A310—300機(jī)型的5wt%，上升到A380的25wt%，再到A400M的35wt%，在A350飛機(jī)上這一質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)52wt%，第一次實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的用量超過(guò)了金屬材料的用量，被稱為“塑料飛機(jī)”。

2.2 復(fù)合材料被大量應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料最初應(yīng)用于飛機(jī)的艙門、整流罩、安定面等次承力結(jié)構(gòu)，隨著材料性能的不斷提高，目前復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)身機(jī)翼等主承力結(jié)構(gòu)?？罩锌蛙嘇380的中央翼盒、翼肋、機(jī)身上蒙皮壁板、機(jī)身后段、機(jī)身尾段、地板梁、后承壓框、垂尾等大量主承力結(jié)構(gòu)都采用碳纖維復(fù)合材料。

2.3 由復(fù)合材料制造的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件越來(lái)越多

復(fù)合材料在復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用存在一定的挑戰(zhàn)性：（1）受制于制造變形的問(wèn)題;（2）在鋪層設(shè)計(jì)方面也具有較大的難度。大量先進(jìn)制造工藝的出現(xiàn)使得由復(fù)合材料制造的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件越來(lái)越多，如A380機(jī)身19段和球面后壓力框等具有復(fù)雜曲面的大尺寸受力部件，分別采用復(fù)合材料纖維自動(dòng)鋪絲技術(shù)和樹脂膜滲透（RFI）工藝制造。

2.4 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造向整體成型和共固化方向發(fā)展

復(fù)合材料之所以在大型民用飛機(jī)中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷提高，甚至能夠取代金屬材料大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造，不僅僅是因?yàn)槠漭p質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，更重要的是因?yàn)閺?fù)合材料易于集成制造，從而可實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件的整體成型。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的共固化和整體成型技術(shù)能夠顯著減少零件和緊固件的數(shù)量，縮短生產(chǎn)周期，減少制造和裝配工時(shí)，大幅度降低生產(chǎn)成本。

結(jié)語(yǔ)

（1）波音和空客公司在波音787和空客A350上大量使用復(fù)合材料的事實(shí)表明，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不僅減輕了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且改善了飛機(jī)的耐腐蝕性能和抗疲勞性能，降低了飛機(jī)的維護(hù)費(fèi)用，大幅度提高了民用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性，成為現(xiàn)代大型客機(jī)先進(jìn)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)志。

（2）經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，國(guó)外民用飛機(jī)制造商已經(jīng)積累了大量的復(fù)合材料使用經(jīng)驗(yàn)，解決了以往應(yīng)用中的瓶頸問(wèn)題，新技術(shù)和新工藝的日益成熟以及自動(dòng)化設(shè)備的廣泛采用大大降低了復(fù)合材料的生產(chǎn)成本和應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

（3）當(dāng)今世界大型民用飛機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了復(fù)合材料時(shí)代，中國(guó)自主研制的大飛機(jī)也正積極應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，在下一代國(guó)產(chǎn)大型民用飛機(jī)中復(fù)合材料的應(yīng)用必將有突破性的進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)

[1]邢麗英，蔣詩(shī)才，周正剛.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)進(jìn)展EJ].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2017，30（2）：1—9.