寧莉

摘? 要：自碳纖維作為增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)被研發(fā)出來，復(fù)合材料就迅速推廣并應(yīng)用到了眾多的行業(yè)，其中在飛機(jī)制造行業(yè)中，用復(fù)合材料做機(jī)身的制作材料已經(jīng)受到了越來越多人的青睞。本文將從解釋何為復(fù)合材料、民用飛機(jī)復(fù)合材料選擇的準(zhǔn)則，以及民用飛機(jī)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量檢測方法進(jìn)行論述，旨在為提升民用飛機(jī)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)? 復(fù)合材料? 產(chǎn)品質(zhì)量? 驗(yàn)證

中圖分類號：V25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（a）-0087-03

Civil Aircraft Composite Product Quality Inspection Method

NING Li

（AVIC Xian Aircraft Industry（Group）Co.， Ltd.， Xian，Shaanxi Province，710089 China）

Abstract： Since carbon fiber was developed as a reinforced composite material structure， composite materials have been rapidly promoted and applied to many industries. Among them， in the aircraft manufacturing industry， the use of composite materials as fuselage materials has been favored by more and more people. This article will explain what is a composite material， the criteria for the selection of composite materials for civil aircraft， and the quality inspection methods of composite materials for civil aircraft. It aims to provide references for improving the quality of composite materials for civil aircraft.

Key Words： Civil aircraft; Composite materials; Product quality;Verification

目前，在大型民用飛機(jī)A350的機(jī)翼上使用復(fù)合材料證明了我國在復(fù)合材料的理論研究與實(shí)踐方面取得了一定的成果，但是我國仍然缺乏對民用飛機(jī)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)方法的研究，本文在適航與行業(yè)規(guī)范要求的基礎(chǔ)之上，對民用飛機(jī)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析與論述。

1? 緒論

1.1 復(fù)合材料的概述

復(fù)合材料是指將擁有不同物理和化學(xué)性質(zhì)的多種物質(zhì)組合，進(jìn)而得到一種帶有組成該種復(fù)合材料的單一材料的所有優(yōu)點(diǎn)的多相固體類別材料。復(fù)合材料是由基體和復(fù)合體構(gòu)成的，其中在復(fù)合材料中起到增強(qiáng)體作用的被稱為承受載荷的相，而基體是連接各個增強(qiáng)體，傳遞載荷的相。產(chǎn)品的制造程序十分繁瑣，流程較多，還包括比如重金屬融合和機(jī)電裝配等很多生產(chǎn)技術(shù)。目前，我國涉及民用飛機(jī)復(fù)合材料的工廠采取的多為“設(shè)計——生產(chǎn)”一條龍的模式。這種方式對于技術(shù)的要求十分高，而且對技術(shù)人員的技術(shù)要求也十分高，這個度很難準(zhǔn)確把握。

一般來說，產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)是在產(chǎn)品生產(chǎn)的主要步驟完工之后才進(jìn)行的，少數(shù)情況是在復(fù)合材料的出廠之前。質(zhì)量檢驗(yàn)通過仔細(xì)地對產(chǎn)品的品質(zhì)以及是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品是否能夠達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過這種篩選機(jī)制，讓符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能進(jìn)入到下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)中去，一旦產(chǎn)品在中間的某一環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)了問題，就要對有問題的產(chǎn)品及時地作出正確的處理。由此可見，產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中起到了關(guān)鍵的作用，對于產(chǎn)品的質(zhì)量把控有著重要的意義。綜上所述，質(zhì)量檢驗(yàn)在民用飛機(jī)復(fù)合材料的制造流程中與產(chǎn)品品質(zhì)的控制有著緊密的關(guān)系。

1.2 復(fù)合材料性能和制造工藝的特點(diǎn)

先進(jìn)的復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的材料獨(dú)立物聯(lián)合在一起的，構(gòu)成的新型材料，其中的樹脂基體分散相稱為纖維增強(qiáng)體，兩相彼此之間具有明顯的界限，可以保持原材料的突出特點(diǎn)，在復(fù)合材料效應(yīng)獲得的過程中材料的性能補(bǔ)充，彼此聯(lián)系，確保復(fù)合材料可以獲得優(yōu)異的性能。

復(fù)合材料在制成中層合板時，剛度和強(qiáng)度可以在設(shè)計制造的過程中根據(jù)需求開展，設(shè)計師設(shè)計每層纖維的取向獲得層合板的剛度以及強(qiáng)度，對層間強(qiáng)度控制樹脂基體和界面強(qiáng)度，在垂直層合板之間設(shè)定載荷。先進(jìn)復(fù)合材料的制造一般是采用模具熱壓固化成型的方式進(jìn)行，對其中運(yùn)用的制造工藝控制精度有較高的要求，復(fù)合材料對材料層中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行纖維取向和鋪層形式的設(shè)計，通常使用浸漬基體樹脂的增強(qiáng)纖維逐層進(jìn)行鋪層設(shè)計，逐層鋪貼在模具上，組裝后再進(jìn)行熱壓固化形成最終的材料形狀，在基體樹脂的模具內(nèi)引導(dǎo)材料制造的化學(xué)反應(yīng)，讓結(jié)構(gòu)件成型和材料的形成同時完成。共固化、二次膠接、預(yù)成形件/RTM等工藝技術(shù)形成整體的材料模塊，在運(yùn)用復(fù)合材料制造民用飛機(jī)大型構(gòu)件，明顯減少機(jī)械加工以及裝配的工作量，提高材料的制作精度以及裝配的費(fèi)用，改善民用飛機(jī)構(gòu)件的質(zhì)量以及使用性能。復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)件熱壓固化成型的過程中要減少先進(jìn)復(fù)合材料的熱壓固化的方式，將結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)制造幾種工藝密切結(jié)合在一起，有效控制先進(jìn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力以及熱變形，同時形成材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并嚴(yán)格控制材料構(gòu)件的監(jiān)控，建立材料配套的缺陷，對材料的損傷情況進(jìn)行檢測，嚴(yán)格按照材料的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

聚合物基復(fù)合材料進(jìn)行材料制造的質(zhì)量控制以及質(zhì)量監(jiān)督，纖維和樹脂固化體系的成分和性能的波動要對其進(jìn)行監(jiān)督，除了對常規(guī)地進(jìn)行纖維性能的檢驗(yàn)，還要控制監(jiān)督纖維的表面狀態(tài)，研究纖維表面的狀態(tài)，檢測復(fù)合材料的質(zhì)量生產(chǎn)水平。

對于復(fù)合材料所用的樹脂以及樹脂固化體系的質(zhì)量進(jìn)行控制的時候，除了傳統(tǒng)的比重測定、粘度、軟化點(diǎn)、水分、揮發(fā)物、凝膠溫度、環(huán)氧當(dāng)量、游離酚等數(shù)據(jù)指標(biāo)也要嚴(yán)格監(jiān)督。基本化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)督之外，還要控制不同類型的環(huán)氧樹脂和環(huán)氧當(dāng)量，對復(fù)合材料的化學(xué)成分和化學(xué)特征進(jìn)行材料標(biāo)準(zhǔn)的控制以及監(jiān)督。浸料中含有固定的固化樹脂需要使用固化劑和催化劑，在存放的過程中自行固化，失去粘著性，因此要在復(fù)合材料設(shè)計以及制造的過程中對預(yù)浸料進(jìn)行質(zhì)量控制，檢驗(yàn)材料自行固化和吸濕情況，將復(fù)合材料的化學(xué)成分以及化學(xué)特征列入材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的檢測質(zhì)之中，常用的質(zhì)量檢測的方法包括凝膠滲透色譜法、高壓液體色譜法、紅外光譜法、原子吸收光譜法、元素分析法、核磁共振法等等。

對復(fù)合材料的制作工藝過程進(jìn)行監(jiān)督，要做好工藝設(shè)施和工裝控制，在控制工序參考各類的工藝參數(shù)對工序進(jìn)行檢查，對不同的性質(zhì)進(jìn)行控制，對工藝參數(shù)上不合格的工序進(jìn)行控制，隨時檢查半成品或者進(jìn)行隨爐試件，在隨爐試件中檢查質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，提高檢驗(yàn)方法的可靠性。預(yù)浸料的制造對樹脂含量和揮發(fā)分含量可以與纖維體積含量呈現(xiàn)正比的關(guān)系，如果樹脂的含量成分較低，將會影響復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度以及纖維方向的壓縮強(qiáng)度，之后對于浸膠膠液的濃度、粘度以及溫度、濕度的控制，質(zhì)量要素之間互相控制，運(yùn)用自動控制的裝置進(jìn)行質(zhì)量的自動條件，達(dá)到成型工藝運(yùn)用以及安裝的控制。

在材料制造的過程中成型工藝包括鋪層以及固化，鋪層的過程中注意預(yù)浸料的纖維方向、拼接方法以及鋪層次序和層數(shù)，機(jī)器的鋪設(shè)動作降低人為失誤的影響。固化的過程中樹脂和纖維復(fù)合在一起，將低分子物轉(zhuǎn)化為高分子物，與纖維粘合在一起，固化的過程加強(qiáng)了化學(xué)反應(yīng)，同時還伴隨著物理變化。固化的控制過程要控制溫度升高的速度，合理確定真空機(jī)的停止時機(jī)，進(jìn)而對固化中的時間以及壓強(qiáng)進(jìn)行合理配置?；趯Τ尚瓦^程的監(jiān)控，有效控制和提升復(fù)合材料的制作質(zhì)量。

2? 民用飛機(jī)復(fù)合材料選擇的準(zhǔn)則

在我國CAAC和FAA等頒布的適航制度以及相應(yīng)的咨詢報告中，都明確對民用飛機(jī)的復(fù)合材料架構(gòu)的材料以及制作質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求。舉個例子來說，在FAR，25.603（a）中就明文規(guī)定了要在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上對組成部件的匹配性以及耐用性進(jìn)行查驗(yàn)，以保證其安全性。因此，在民用飛機(jī)復(fù)合材料的選擇中應(yīng)當(dāng)遵循以下幾項(xiàng)準(zhǔn)則。

2.1 安全性準(zhǔn)則

復(fù)合材料的選擇首先應(yīng)該考慮的準(zhǔn)則就是安全。對工序程序的檢驗(yàn)、無損檢驗(yàn)以及損壞性實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)復(fù)合材料的重要組成部分。經(jīng)調(diào)查研究，復(fù)合材料的抗腐蝕能力和耐磨程度比鋁合金材料高。眾所周知，復(fù)合材料的安全性與其制作工藝成正相關(guān)，在美國，復(fù)合材料的使用頻率較高，其材料制作技術(shù)的熟練程度由高到低分為10個等級，舉例來說，A321飛機(jī)的復(fù)合材料在20世紀(jì)90年代使用比例僅僅為20%，但是現(xiàn)在A380飛機(jī)使用復(fù)合材料的比例已經(jīng)為49%。

2.2 經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則

一架飛機(jī)的成本不僅僅包括收購飛機(jī)的價格，還包括飛機(jī)的燒油率、使用年限以及維修費(fèi)用等眾多因素構(gòu)成?？湛虯380之所以被國內(nèi)外很多航空公司選所青睞，是因?yàn)椋M管鋁合金較復(fù)合材料更便宜，但是復(fù)合材料制成的飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量更輕，這樣一來飛機(jī)的燃油量就會減少，很大程度上彌補(bǔ)了其高昂的購買價格所帶來的不利因素。

2.3 舒適性準(zhǔn)則

一架A350飛機(jī)總重量的52%都是由一項(xiàng)名為超寬體A350xWB的復(fù)合材料所構(gòu)成的，所以A350的客艙相較其他同樣重量的客機(jī)而言更加寬闊。這樣一來，寬敞的客艙不僅可以為乘機(jī)客戶提供更加舒適的乘機(jī)環(huán)境，還可以為飛行機(jī)組和機(jī)上的乘務(wù)人員提供更加舒適的休息艙。使用復(fù)合材料的民用飛機(jī)相較其他客機(jī)在舒適程度上來講，將會具有更大的、無可比擬的優(yōu)勢。

2.4 綠色性準(zhǔn)則

在A380飛機(jī)第一次出現(xiàn)在大眾視野之前，就獲得了眾多國家的追捧，獲得了數(shù)百家的訂單，也收獲了數(shù)千億美元的訂單額，這樣熱烈的市場響應(yīng)和龐大的銷售量表明了使用復(fù)合材料的民用飛機(jī)有著更加良好的機(jī)身構(gòu)造和發(fā)動機(jī)，它的耗油量也相對較少，更加的綠色環(huán)保，是現(xiàn)階段的民用飛機(jī)中燃油量最少的，這不僅要?dú)w功于A380的發(fā)動機(jī)和飛機(jī)身體的制作材料，更重要的是其中復(fù)合材料在降低燃油量方面也發(fā)揮了不可替代的重要作用。

3? 質(zhì)量檢驗(yàn)方法在民用飛機(jī)復(fù)合材料中的重要作用

3.1 質(zhì)量檢測在民用飛機(jī)復(fù)合材料的設(shè)計階段中的作用

設(shè)計是民用飛機(jī)復(fù)合材料制造中的一個重要環(huán)節(jié)。質(zhì)量檢驗(yàn)是指對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行查驗(yàn)，并不斷健全管理制度的過程。質(zhì)量檢測在產(chǎn)品的設(shè)計階段起著重要的作用：第一，質(zhì)量檢測可以明確各個部門的工作方式、每一名工作人員的工作責(zé)任。第二，質(zhì)量檢測可以從民用飛機(jī)復(fù)合材料的角度出發(fā)，制定出關(guān)于產(chǎn)品生產(chǎn)的風(fēng)險和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等方面的具體要求。第三，質(zhì)量檢測先通過對產(chǎn)品的設(shè)計方案進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測，從而對相關(guān)民用飛機(jī)復(fù)合材料的未來市場進(jìn)行預(yù)估，量化結(jié)果，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行分析，形成更加專業(yè)的分析成果，從而保證后續(xù)試驗(yàn)報告中的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、無誤。第四，產(chǎn)品設(shè)計檢測報告要在國家規(guī)定的檢測機(jī)構(gòu)中進(jìn)行，以保證產(chǎn)品設(shè)計不僅能夠滿足市場需求，還要符合我國的相關(guān)政策與標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 質(zhì)量檢測在購買產(chǎn)品原材料階段中的作用

購買產(chǎn)品的原材料是民用飛機(jī)的復(fù)合材料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必不可少的。購買的原材料不僅局限于標(biāo)準(zhǔn)件，還包括很多以技術(shù)協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的外協(xié)借工產(chǎn)品的零部件。所以，質(zhì)量檢測在購買的原材料的質(zhì)量方面是起著“過濾網(wǎng)”的作用。它通過嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和審批流程，能夠有效保證產(chǎn)品原材料的質(zhì)量，對供應(yīng)商進(jìn)行有效篩選，并擇優(yōu)選擇最佳的供應(yīng)商，達(dá)到雙贏。

3.3 質(zhì)量檢測在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的作用

在產(chǎn)品生產(chǎn)中，如果想有效避免生產(chǎn)資源的過度浪費(fèi)和生產(chǎn)效率過低，增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，那么就要將產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和檢測過程有機(jī)地結(jié)合起來。就民用飛機(jī)的復(fù)合材料生產(chǎn)過程而言，需要投入很多的時間和金錢，這樣不僅會造成時間損失還會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)上的損失。所以，通過質(zhì)量檢測能夠有效地對設(shè)計產(chǎn)品的制作流程進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整和高效的管理。通過隨時隨地對產(chǎn)品生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、收集、分析，從而更加及時地核對生產(chǎn)參數(shù)，對產(chǎn)品生產(chǎn)中出現(xiàn)的誤差進(jìn)行調(diào)整，把控產(chǎn)品質(zhì)量。例如，對選取的飛機(jī)壁板試片進(jìn)行查驗(yàn)時，我們除了可以利用顯微拍照的方式，還需要根據(jù)壁板的主要失敗模式規(guī)劃進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果同測試的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行比對。

4? 結(jié)語

隨著我國社會科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型復(fù)合材料在民用飛機(jī)制造業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段我國的民航事業(yè)仍處于起步的階段，相信在未來，復(fù)合材料會扮演更加重要的角色，成為我國航空發(fā)展的重要一環(huán)。探索民用飛機(jī)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量的驗(yàn)證方法，無論是對于提升復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量還是對于在國內(nèi)推廣民用飛機(jī)復(fù)合材料的主承力結(jié)構(gòu)質(zhì)量保證和適航認(rèn)證都具有極其重要的意義。

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