趙云峰 潘玲英

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 功能性碳纖維復(fù)合材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

（3 樹(shù)脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新中心，北京 100076）

（4 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司復(fù)合材料成形與加工工藝技術(shù)中心，北京 100076）

文 摘 隨著航天裝備的發(fā)展，對(duì)輕質(zhì)的樹(shù)脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)提出了新的發(fā)展需求，推動(dòng)了結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制造技術(shù)的新發(fā)展。本文重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)復(fù)合材料材料體系、制造方法及應(yīng)用等方面介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外航天先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究與應(yīng)用新進(jìn)展，并結(jié)合航天飛行器發(fā)展需求，對(duì)未來(lái)航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究與應(yīng)用發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

0 引言

樹(shù)脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料因其具有高的比強(qiáng)度、比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，而逐漸替代金屬結(jié)構(gòu)用于航天裝備的主結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，提高燃料的利用率和有效載荷的質(zhì)量［1?4］。目前，樹(shù)脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用比例已成為衡量航天裝備先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。隨著航天裝備的發(fā)展，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)、衛(wèi)星等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［1?7］，有效支撐了航天重大裝備的研制與發(fā)展。隨著航天運(yùn)載器性能的提升和復(fù)合材料應(yīng)用比例的提高，其對(duì)復(fù)合材料的承載性、工藝性、穩(wěn)定性等提出了更高的要求，帶動(dòng)了航天樹(shù)脂基復(fù)合材料技術(shù)及其制造技術(shù)的進(jìn)步。本文將重點(diǎn)介紹近年來(lái)航天樹(shù)脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究與應(yīng)用方面的最新進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制造技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 航天先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料體系

1.1.1 高性能環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料

隨著碳纖維和高性能環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，為滿(mǎn)足航天裝備的發(fā)展需求，新的高性能環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料體系不斷涌現(xiàn)。自20世紀(jì)70年代發(fā)展至今，已經(jīng)形成了T300級(jí)、T700級(jí)、T800級(jí)、T1000級(jí)和T1100級(jí)高強(qiáng)碳纖維以及M40、M55J、M60J高模碳纖維增強(qiáng)的系列樹(shù)脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其中應(yīng)用最為廣泛的環(huán)氧樹(shù)脂體系也由早期脆性較大的體系發(fā)展為韌性樹(shù)脂體系，由其制得的復(fù)合材料抗沖擊性能由200 MPa以下提高到300 MPa以上。近些年來(lái)，為了提高競(jìng)爭(zhēng)力以及滿(mǎn)足更高性能復(fù)合材料對(duì)碳纖維的需求，國(guó)外相繼推出更高強(qiáng)度高模量的碳纖維，如日本東麗的T1100和M40X、赫式的IM10和HM50，三菱的MR70，東邦的XMS32等。與此同時(shí)，開(kāi)發(fā)了與新型纖維匹配的環(huán)氧樹(shù)脂體系，復(fù)合材料性能也得到了大幅提升。例如，高性能3960樹(shù)脂與T1100G纖維制得的復(fù)合材料，其拉伸性能與前一代產(chǎn)品相比提升了30%［8］；IM10增強(qiáng)M91復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和IM7/M21相比增加了20%以上，CAI和開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度均提高20%左右［9］，見(jiàn)表1。在樹(shù)脂研發(fā)過(guò)程中涌現(xiàn)出了新的制備技術(shù)，例如日本東麗公司采用NANOALLOY?納米尺度共混技術(shù)（圖1），開(kāi)發(fā)了新型高強(qiáng)高模樹(shù)脂基體（牌號(hào)2574#）［10］，大幅提升了復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。此外，針對(duì)輕質(zhì)低溫復(fù)合材料貯箱的應(yīng)用需求，國(guó)外近些年還重點(diǎn)開(kāi)展了超低溫環(huán)氧復(fù)合材料方面的相關(guān)研究［11?15］，通過(guò)多輪次的材料?原理樣件?低溫考核迭代驗(yàn)證，積累了大量的復(fù)合材料超低溫下力學(xué)性能數(shù)據(jù)，已解決液氧相容性、液氫抗?jié)B漏性等關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)了液氫液氧貯箱原理樣機(jī)真實(shí)介質(zhì)測(cè)試。例如，美國(guó)波音公司采用自動(dòng)鋪放、超薄預(yù)浸料等技術(shù)制備了Φ5.5 m的低溫復(fù)合材料貯箱，通過(guò)了地面試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖2所示［14］。美國(guó)Space X公布的Φ12 m的碳纖維復(fù)合材料液氧貯箱，于2016年11月在海洋駁船上順利完成了三分之二爆破壓力的考核試驗(yàn)，成為迄今為止報(bào)道中直徑最大的低溫復(fù)合材料壓力容器［15］。

式中，Ixx為車(chē)體的側(cè)滾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Y,Z分別為車(chē)體質(zhì)心的橫向與垂向位移；Cy為二系橫向減震器的阻尼；h為車(chē)體質(zhì)心距空簧上表面的垂向高度；Ky為空氣彈簧的橫向剛度；Kθ為抗側(cè)滾扭桿的抗側(cè)滾剛度；g為重力加速度。

表1 國(guó)內(nèi)外新一代碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料性能Tab.1 Properties of carbon fiber reinforce epoxy composites

圖1 Toray最新研發(fā)的2574#高模量樹(shù)脂F(xiàn)ig.1 2574#resin with high?flexural?strength

圖2 Ф5.5 m復(fù)合材料低溫貯箱Fig.2 Cryogenic composite tank with diameter of 5.5 m

1.1.2 高性能雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料

雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料是為滿(mǎn)足高速飛行器對(duì)輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用需求而發(fā)展起來(lái)的。目前國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種商品化的共聚改性雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂，比如美國(guó)Narmco 公司研制開(kāi)發(fā)的5250 樹(shù)脂，其復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐濕熱、耐高溫的性能。其中IM7/5250復(fù)合材料已在X?37B空天飛行器機(jī)身蒙皮、梁以及X?33 空天飛行器機(jī)翼面板蒙皮和箱間段等耐高溫部件使用，并成功通過(guò)飛行試驗(yàn)。此外，針對(duì)低溫貯箱應(yīng)用的可行性，還對(duì)IM7/5250?4 復(fù)合材料的低溫防滲漏性能進(jìn)行了表征［14，16］。美國(guó)Cytec公司并購(gòu)Narmco 公司以后，又開(kāi)發(fā)出5260 樹(shù)脂，其復(fù)合材料CAI值為345 MPa，最高使用溫度達(dá)177 ℃。Cytec公司還開(kāi)發(fā)了連續(xù)工作溫度達(dá)250 ℃的5270雙馬樹(shù)脂復(fù)合材料［17］。Hexcel F652 雙馬樹(shù)脂在潮濕環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作溫度為232 ℃，干態(tài)使用溫度可達(dá)316 ℃［18］，上述商品化的雙馬樹(shù)脂已經(jīng)達(dá)到二烯丙基雙酚A 改性雙馬樹(shù)脂體系的極限使用溫度。為了進(jìn)一步提高材料的耐熱性，美國(guó)NASA在雙馬樹(shù)脂里面引入硅氮烷或硅碳烷，通過(guò)在高溫使用過(guò)程中硅烷的陶瓷化來(lái)改善雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料的耐溫性能，并指出該材料有望應(yīng)用于樹(shù)脂基和陶瓷基復(fù)合材料的中間過(guò)渡層［19?20］。

下面舉例對(duì)(N,m)維修模型系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明，圖1所示系統(tǒng)中包含M=2個(gè)相同的運(yùn)行單元，每個(gè)運(yùn)行單元由p=1個(gè)MC和n=2個(gè)AC組成，當(dāng)收到某個(gè)MC的維修請(qǐng)求或收到m=3個(gè)AC的維修請(qǐng)求后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維修。

此外，針對(duì)液氫液氧復(fù)合材料貯箱應(yīng)用需求，航天材料及工藝研究聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢(shì)單位，開(kāi)展了超低溫復(fù)合材料體系的研究，突破了低溫抗微裂紋樹(shù)脂設(shè)計(jì)、樹(shù)脂體系的液氧相容性、超薄預(yù)浸料制備等一系列關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出了國(guó)內(nèi)首件Φ3.35 m的低溫復(fù)合材料貯箱，如圖3所示。

重點(diǎn)發(fā)展多尺度強(qiáng)韌化、環(huán)氧樹(shù)脂協(xié)同增剛增強(qiáng)及界面匹配、碳纖維復(fù)合材料壓拉比調(diào)控機(jī)制、低溫復(fù)合材料的液氧沖擊敏感性和低溫防滲漏特性、高溫復(fù)合材料高溫條件下材料失效機(jī)制等基礎(chǔ)理論研究，為新一代結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 國(guó)內(nèi)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料體系

1.2.1 高性能環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料

國(guó)內(nèi)航天環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研制起步較晚，經(jīng)過(guò)30 多年的發(fā)展，已取得了明顯的進(jìn)步，樹(shù)脂整體性能提高，樹(shù)脂種類(lèi)日漸豐富，形成了與T300、T700 級(jí)碳纖維匹配的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料體系，并在運(yùn)載火箭等航天裝備上得到廣泛應(yīng)用。環(huán)氧樹(shù)脂也由第一代發(fā)展到與T800級(jí)碳纖維匹配的第三代韌性環(huán)氧樹(shù)脂［26］，由其制得的T800 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量分別為2 700 和150 MPa，沖擊后壓縮強(qiáng)度≥300 MPa，達(dá)到國(guó)外同類(lèi)材料性能水平，目前處于批量制備與工程應(yīng)用驗(yàn)證階段。近年來(lái)，針對(duì)航天結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料提出的高抗壓需求，航天材料及工藝研究所率先開(kāi)展了第三代先進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究，牽引碳纖維研制單位開(kāi)發(fā)出了新一代高強(qiáng)高模碳纖維TG40X。同時(shí)為了進(jìn)一步提高復(fù)合材料的拉壓比，基于反內(nèi)增塑效應(yīng)和納米二氧化硅增剛增韌方法，研制出了高強(qiáng)高模樹(shù)脂603HM 樹(shù)脂，模量由傳統(tǒng)的3.5 提升到6.0 GPa。采用TG40X 和603HM 制得的復(fù)合材料性能如表1所示，材料壓縮強(qiáng)度從傳統(tǒng)復(fù)合材料的1 500 MPa 提高到2 100 MPa，壓拉比從0.50 提升到0.75，開(kāi)啟了航天環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的新篇章。

隨著高溫樹(shù)脂基復(fù)合材料的發(fā)展，20世紀(jì)70年代至今，國(guó)外先后開(kāi)發(fā)了第一代到第四代耐300～500 ℃系列化聚酰亞胺復(fù)合材料體系［21?23］，并形成了商品化的預(yù)浸料產(chǎn)品，如Renegade Materials 公司的RM?1100，AFR?PE?4 以及日本東麗的RS51，TC890等，為其擴(kuò)大應(yīng)用提供了材料基礎(chǔ)。近幾年來(lái)，在耐316 ℃PMR?15 和耐371 ℃PMR?Ⅱ?yàn)榇淼牡诙埘啺窂?fù)合材料工程推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上，國(guó)外重點(diǎn)發(fā)展了有機(jī)無(wú)機(jī)雜化聚酰亞胺樹(shù)脂及其復(fù)合材料的研究［24?25］。研究發(fā)現(xiàn)，將含硅單體引入到分子結(jié)構(gòu)中，可以顯著改善樹(shù)脂的工藝性，降低熔體黏度，同時(shí)提升其熱氧化穩(wěn)定性。GREGORY 等人［24］采用多面體聚倍半硅氧烷（POSS 結(jié)構(gòu)）單體替代毒性的MDA單體，在改善工藝性的同時(shí)，還顯著改善了樹(shù)脂的耐濕熱性，同時(shí)可有效阻止高溫老化裂紋的產(chǎn)生。同時(shí)，POSS 結(jié)構(gòu)聚酰亞胺在高溫條件下表層形成了無(wú)機(jī)二氧化硅保護(hù)層，可隔絕氧氣的進(jìn)一步侵蝕，從而提高材料熱氧化穩(wěn)定性。同樣采用相似的原理，美國(guó)的Performance Polymer Solution 公司推出了含硅的P2SI 900HT 樹(shù)脂，該樹(shù)脂的Tg高達(dá)489 ℃，其在700 ℃暴露1 min 后，仍具有一定的承載性能，成為第四代聚酰亞胺樹(shù)脂的典型代表。隨后Tencate 公司采用該樹(shù)脂開(kāi)發(fā)了TC890 預(yù)浸料，實(shí)現(xiàn)了該材料體系的商品化。

圖3 Φ3.35 m低溫復(fù)合材料貯箱Fig.3 Cryogenic composite tank with diameter of 3.35 m

1.2.2 高性能雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料

針對(duì)高速長(zhǎng)時(shí)飛行的航天裝備對(duì)輕質(zhì)耐高溫復(fù)合材料的應(yīng)用需求，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了雙馬樹(shù)脂為代表的高溫樹(shù)脂及其復(fù)合材料的研制。航天材料及工藝研究所開(kāi)發(fā)了GW?300 和803 雙馬樹(shù)脂體系，最高耐溫等級(jí)達(dá)到300 ℃，其中803 樹(shù)脂是第一代航天用耐高溫雙馬樹(shù)脂，該雙馬樹(shù)脂體系工藝性良好，適用于熱熔預(yù)浸料工藝，解決了雙馬樹(shù)脂體系熱熔法預(yù)浸料制備與室溫鋪覆性差的難題。近年來(lái)，針對(duì)航天裝備承力結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成型工藝要求，對(duì)803耐高溫雙馬樹(shù)脂進(jìn)行了工藝性和耐熱性升級(jí)，升級(jí)后的802耐高溫雙馬樹(shù)脂能夠?qū)崿F(xiàn)流動(dòng)可控，滿(mǎn)足初始加壓要求，采用該樹(shù)脂制備的不同結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)罐固化，制備的產(chǎn)品不但內(nèi)部質(zhì)量良好，而且大幅降低了制造成本，實(shí)現(xiàn)了航天高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制品的批量穩(wěn)定制備。此外，針對(duì)航天短時(shí)高耐溫的應(yīng)用需求，航天材料及工藝所還率先開(kāi)展耐280 ℃雙馬樹(shù)脂及復(fù)合材料的研制，開(kāi)發(fā)了Tg高達(dá)378 ℃的新型雙馬樹(shù)脂，由其制備的復(fù)合材料280 ℃強(qiáng)度保持率在50%以上，模量保持率在80%以上。

3、安裝到位，門(mén)窗框、扇無(wú)變形，開(kāi)啟靈活，關(guān)閉嚴(yán)密。門(mén)窗框與洞口邊緣連接緊密、抹灰平整，窗臺(tái)表面處理平整。

1.2.3 高性能聚酰亞胺樹(shù)脂基復(fù)合材料

谷老板見(jiàn)可蔓竟敢這樣在日本兵面前放肆，不由又驚又急，忙上前擋住她，笑著對(duì)鬼子軍官說(shuō)，小姑娘的不懂事，太君不要生氣。

在聚酰亞胺樹(shù)脂方面，經(jīng)過(guò)多年積累取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從最初對(duì)國(guó)外技術(shù)的跟蹤模仿，目前已跨入自主創(chuàng)新研發(fā)階段，已開(kāi)發(fā)出了系列化的耐300～500 ℃不同耐溫等級(jí)的樹(shù)脂，并成功應(yīng)用在各型航天裝備上［27］。其中石英纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺復(fù)合材料因其優(yōu)異的介電性能，且在寬溫域、寬頻帶范圍介電性能極其穩(wěn)定，在北斗衛(wèi)星、新一代運(yùn)載火箭以及武器系統(tǒng)等得到了廣泛的應(yīng)用；同時(shí)碳纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺復(fù)合材料也在舵翼類(lèi)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品上得到了推廣應(yīng)用。近些年，針對(duì)工藝性和耐溫性協(xié)同問(wèn)題，航天材料及工藝研究所開(kāi)發(fā)了第三代耐420 ℃聚酰亞胺樹(shù)脂及復(fù)合材料體系［28］，Tg高達(dá)455 ℃，復(fù)合材料在420 ℃下彎曲強(qiáng)度保持率≥60%，彎曲模量保持率≥90%，層間剪切強(qiáng)度保持率≥60%，熱壓罐成型聚酰亞胺復(fù)合材料的孔隙率低于1%，實(shí)現(xiàn)了工藝性和耐熱性的協(xié)同。在此研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出了有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的分子設(shè)計(jì)思路，成功研制出了第四代耐500 ℃聚酰亞胺樹(shù)脂及復(fù)合材料研究，該體系Tg大于550 ℃，且500 ℃彎曲強(qiáng)度保持率≥55%，彎曲模量保持率≥85%，并采用熱壓罐成型了翼舵類(lèi)產(chǎn)品，通過(guò)了500 ℃靜熱聯(lián)合試驗(yàn)考核，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，該體系綜合性能優(yōu)于國(guó)外的P2SI 900HT體系，說(shuō)明我國(guó)航天聚酰亞胺復(fù)合材料技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

2 航天先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造技術(shù)

2.1.1 液體成型技術(shù)

1.1.3 高性能聚酰亞胺樹(shù)脂基復(fù)合材料

液體成型作為一個(gè)低成本高效率的成型工藝，在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，美國(guó)和俄羅斯也針對(duì)性地發(fā)展了耐高溫的液體成型用樹(shù)脂體系，如雙馬樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂和鄰苯二甲腈樹(shù)脂等［29?34］。目前雙馬樹(shù)脂已實(shí)現(xiàn)成熟商品化應(yīng)用（如Cytec 公司的5250?4RTM 樹(shù)脂），鄰苯二甲腈樹(shù)脂由于其優(yōu)異工藝性和耐溫性也獲得快速發(fā)展。美國(guó)Maverick 公司已完成了RTM 成型鄰苯二甲腈樹(shù)脂（MVK?3）的工業(yè)化生產(chǎn)［30?31］，俄羅斯ITECMA公司也開(kāi)發(fā)出了液體成型用的鄰苯二甲腈樹(shù)脂，使用溫度范圍涵蓋350～500 ℃。此外，美國(guó)GKN 公司、雷神公司等利用鄰苯二甲腈樹(shù)脂通過(guò)RTM 工藝制備了發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、導(dǎo)彈頭錐等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)該體系的成功應(yīng)用［32］。在液體成型聚酰亞胺樹(shù)脂方面，研制出了PETI?298，PETI?330，PETI?375 等系列化的苯乙炔苯酐封端的樹(shù)脂體系［32?33］，研究工作主要集中在提高耐溫等級(jí)、降低熔體黏度、拓寬灌注工藝窗口等。近期瑞典Swerea SICOMP AB 將乙炔基雙鄰苯二甲酸酐（EBPA）引入苯乙炔基封端聚酰亞胺樹(shù)脂中，制備了交聯(lián)密度更高的RTM 樹(shù)脂NEXIMID MHT?R。該樹(shù)脂的最低熔體黏度小于0.6 Pa?s，具有較寬的加工窗口，經(jīng)過(guò)370 ℃固化后Tg為370 ℃，經(jīng)過(guò)400 ℃以上溫度后固化處理后Tg最高可達(dá)466 ℃［34］，在改善樹(shù)脂工藝性的同時(shí)，耐溫性也得到了大幅的提升。

2.1.2 自動(dòng)化成型技術(shù)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系逐漸完善，性能不斷提升，在航天裝備上的應(yīng)用比例和范圍不斷提高和拓展。隨著航天裝備輕量化發(fā)展以及關(guān)鍵材料自主可控的應(yīng)用需求，航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料也呈現(xiàn)出多維化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，在提高性能的同時(shí)，追求低成本化及全面國(guó)產(chǎn)化和多功能化，制造技術(shù)也向著自動(dòng)化、數(shù)字化及智能化方向發(fā)展。

圖4 低溫復(fù)合材料貯箱纏繞成型過(guò)程Fig.4 Winding process of cryogenic composite tank

圖5 多機(jī)器人鋪放Fig.5 Multi?robot automatic placement

2.1.3 復(fù)合材料加工及其結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)

（1）加強(qiáng)復(fù)合材料基礎(chǔ)理論研究

在這個(gè)“入乎其內(nèi)”和“出乎其外”的過(guò)程里，讀書(shū)人的主體角色值得認(rèn)真思考，他不是一個(gè)被動(dòng)的接受者，更不是游談無(wú)根的夸夸其談?wù)?，虛心涵泳，然后“博學(xué)、審問(wèn)、慎思、明辨而躬踐之”。讀書(shū)的過(guò)程，是讀書(shū)人在所讀之書(shū)與現(xiàn)實(shí)之間進(jìn)行不斷對(duì)話(huà)和詮釋的過(guò)程，讀書(shū)人“入乎其內(nèi)”，體會(huì)原書(shū)的精神，吸收書(shū)的營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)要能“出乎其外”，用之于天下國(guó)家，在這過(guò)程里，讀書(shū)人自己的狹隘生命體驗(yàn)得到了擴(kuò)充，即孟子所謂“養(yǎng)浩然之氣”。同時(shí)，為改變現(xiàn)實(shí)，又必須對(duì)書(shū)進(jìn)行創(chuàng)造性詮釋和轉(zhuǎn)化，使自己當(dāng)下的生命和文化灌注到古書(shū)之中，使古書(shū)具有了生機(jī)活力，成為改造現(xiàn)實(shí)、規(guī)劃未來(lái)的參考。

2.2 國(guó)內(nèi)先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造技術(shù)

2.2.1 液體成型技術(shù)

國(guó)內(nèi)航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在低成本液體成型技術(shù)方面，開(kāi)發(fā)的液體成型環(huán)氧樹(shù)脂和雙馬樹(shù)脂已經(jīng)在電纜罩、熱防護(hù)板、帽形件等航天構(gòu)件上成熟應(yīng)用。針對(duì)高速飛行器的研制需求，近幾年來(lái)重點(diǎn)開(kāi)展了耐高溫RTM 成型用樹(shù)脂體系。航天材料及工藝研究所與中科院化學(xué)所聯(lián)合開(kāi)展了鄰苯二甲腈樹(shù)脂及其RTM 成型工藝研究，采用液體成型工藝研制出了耐400 ℃的鄰苯二甲腈復(fù)合材料構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。在耐高溫聚酰亞胺樹(shù)脂方面，重點(diǎn)開(kāi)展了樹(shù)脂工藝性改進(jìn)方面的工作，研制出了具有較低灌注溫度（210 ℃）、Tg為355 °C 超低黏度樹(shù)脂體系，灌注工藝窗口大于2 h［42］。目前正在開(kāi)展Tg大于400 ℃，灌注溫度小于280 ℃的新型更高耐溫的材料體系，以適應(yīng)航天裝備發(fā)展的新需求。

2.2.2 自動(dòng)化成型技術(shù)

國(guó)內(nèi)復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)發(fā)展較晚，應(yīng)用研究基礎(chǔ)條件薄弱，制造工藝落后，而樹(shù)脂基復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)自動(dòng)化成型技術(shù)尚處于應(yīng)用初步階段，尚未形成樹(shù)脂基復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)體系。在自動(dòng)纏繞成型技術(shù)方面，航天材料及工藝研究所和西安航天復(fù)合材料研究所較早開(kāi)展了纏繞工藝研究和工程應(yīng)用?！笆晃濉逼陂g，航天材料及工藝研究所開(kāi)展了筒形回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)自動(dòng)化纏繞技術(shù)研究工作，采用掛銷(xiāo)釘?shù)姆菧y(cè)地線(xiàn)纏繞成型工藝，實(shí)現(xiàn)了柱形艙段矩形和三角形網(wǎng)格的自動(dòng)化纏繞，如圖6所示。“十三五”期間，網(wǎng)格纏繞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三角網(wǎng)格艙段干法纏繞成型，并在型號(hào)產(chǎn)品上應(yīng)用。同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)常規(guī)復(fù)合材料氣瓶批量穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，低溫復(fù)合材料氣瓶制造技術(shù)初步突破，研制了56/130 L氣瓶樣件，并通過(guò)了初步的性能評(píng)價(jià)。在自動(dòng)鋪放技術(shù)方面，航天材料及工藝研究所聯(lián)合南京航空航天大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展自動(dòng)鋪帶、鋪絲技術(shù)研究，研制了鋪帶、鋪絲原理樣機(jī)、工程樣機(jī)多臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鋪帶技術(shù)在筒段結(jié)構(gòu)上的規(guī)模應(yīng)用［43］。近年來(lái)，航天材料及工藝研究所先后突破了雙向快切鋪帶、面對(duì)稱(chēng)形面鋪絲、交織鋪放和網(wǎng)格鋪放等新技術(shù)，且交織鋪放和網(wǎng)格鋪放技術(shù)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)［44?45］，如圖7所示。

圖6 交織鋪放過(guò)程Fig.6 AFP processing of crossing intersection ply laminate

圖7 網(wǎng)格鋪放過(guò)程Fig.7 AFP processing of grid

2.2.3 復(fù)合材料加工及其結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)

國(guó)內(nèi)航空航天領(lǐng)域在數(shù)字化、自動(dòng)化、柔性化等方面通過(guò)引進(jìn)和創(chuàng)新，在先進(jìn)加工、裝配技術(shù)方面已初步形成了一定的基礎(chǔ)和較為完善的發(fā)展思路。國(guó)內(nèi)航天企業(yè)因承擔(dān)國(guó)防基礎(chǔ)裝備研制和開(kāi)發(fā)，無(wú)法與美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展技術(shù)合作和設(shè)備引進(jìn)，只能走自主研發(fā)的道路。復(fù)合材料加工方面，針對(duì)不同材料體系、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基本形成了較為完善加工工藝體系，也引進(jìn)了部分先進(jìn)的特種加工工藝技術(shù)，如芳綸纖維復(fù)合材料以及石英纖維聚酰亞胺復(fù)合材料低損傷加工技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高效高精度加工［46?47］。但是在先進(jìn)加工工藝方法、加工效能提升、刀具系列化、基礎(chǔ)加工工藝研究等方面還需進(jìn)一步開(kāi)展研究和應(yīng)用工作。復(fù)合材料部段裝配經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，經(jīng)歷了從人工裝配、半機(jī)械/半自動(dòng)化裝配、自動(dòng)化裝配的發(fā)展歷程。目前在“中國(guó)制造2025”等大背景下，國(guó)內(nèi)航空航天復(fù)合材料研制單位進(jìn)行了大量的數(shù)字化、自動(dòng)化、柔性化裝配技術(shù)研究，特別針對(duì)飛機(jī)等復(fù)合材料艙段、部段結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)鉆鉚、可重構(gòu)的模塊化定位、先進(jìn)的測(cè)量及反饋等技術(shù)，如圖8所示，減少了操作人員數(shù)目，提高制孔質(zhì)量，減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力，大大提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體性能，提升了裝配質(zhì)量和效率［39?40］。

圖8 自動(dòng)鉆鉚工藝示意圖Fig.8 Process of automatic drilling?riveting

3 航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料發(fā)展展望

在發(fā)展液體成型為代表的低成本制造技術(shù)的同時(shí)，國(guó)外還著重開(kāi)展了以自動(dòng)纏繞和鋪放為代表的自動(dòng)化成型技術(shù)。自動(dòng)纏繞工藝在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、網(wǎng)格艙段結(jié)構(gòu)以及壓力容器等構(gòu)件上廣泛應(yīng)用。近年國(guó)外研發(fā)熱點(diǎn)之一的低溫復(fù)合材料氣瓶和小型低溫復(fù)合材料貯箱也采用纏繞成型技術(shù)。美國(guó)知名軍火、火箭及空間站制造商ATK 公司采用纏繞工藝制備了Φ3.66 m×9.5m Castor300 碳纖維低溫燃料貯箱，并進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試［35］，如圖4所示。目前纏繞成型的低溫復(fù)合材料氣瓶及小型低溫貯箱已在獵鷹9和電子號(hào)等火箭上應(yīng)用，表明國(guó)外纏繞技術(shù)又有新的發(fā)展。在自動(dòng)鋪放技術(shù)方面，美國(guó)ATK 和法國(guó)宇航公司已采用該技術(shù)開(kāi)發(fā)研制出復(fù)合材料整流罩、儀器艙段及導(dǎo)彈發(fā)射筒等構(gòu)件，如圖5所示。在蒙皮類(lèi)構(gòu)件自動(dòng)鋪放技術(shù)的基礎(chǔ)上，國(guó)外還進(jìn)行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、桁條結(jié)構(gòu)等特種結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪放技術(shù)研究，且加拿大ISOGRID 公司已完成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特種鋪放設(shè)備的研制［36］，并應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件制備，已供給國(guó)外航天領(lǐng)域用于型號(hào)研制，技術(shù)基本成熟。同時(shí)，基于低成本高效制備技術(shù)的發(fā)展需求，國(guó)外還發(fā)展了干紗鋪放+樹(shù)脂灌注非熱壓罐成型、多機(jī)器人鋪放、多窄帶并鋪技術(shù)等自動(dòng)鋪放工藝方法［37?38］。

隨著復(fù)合材料應(yīng)用水平和范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)復(fù)合材料及其構(gòu)件的性能要求也不斷提高，傳統(tǒng)復(fù)合材料加工裝配工藝方法及模式已難以滿(mǎn)足新材料以及未來(lái)高性能、短周期的制造要求；復(fù)合材料部段結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、異形化、集成化、系列化、模塊化特點(diǎn)也使傳統(tǒng)的裝配方式必須進(jìn)行改進(jìn)以滿(mǎn)足新產(chǎn)品的研制需求。目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家軍工企業(yè)依托先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備，大力開(kāi)展數(shù)字化加工技術(shù)的應(yīng)用研究，數(shù)控設(shè)備的普及率達(dá)到80%以上，數(shù)控設(shè)備利用率達(dá)到60%～80%。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，數(shù)字化加工裝配技術(shù)也逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。國(guó)外軍用民用飛機(jī)裝配過(guò)程中，采用了大量的自動(dòng)化、數(shù)字化的裝備及技術(shù)，柔性化、模塊化、智能化的制造思想也逐步融入其中，特別是飛機(jī)壁板類(lèi)部段的自動(dòng)鉆鉚、部段間的柔性化對(duì)接等技術(shù)較為廣泛和成熟，已從由單臺(tái)數(shù)控自動(dòng)化設(shè)備向由自動(dòng)化裝配工裝、模塊化加工單元、數(shù)字化定位和檢測(cè)系統(tǒng)、復(fù)雜多軸數(shù)控系統(tǒng)和離線(xiàn)編程與仿真軟件等組成的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)發(fā)展［39?41］。近些年國(guó)外隨著新型傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)生產(chǎn)方式也在發(fā)生著變革，以數(shù)字化為基礎(chǔ)的智能制造模式應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在現(xiàn)有數(shù)字化、自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)基礎(chǔ)上，將大數(shù)據(jù)采集及分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、工業(yè)機(jī)器人及其先進(jìn)制造設(shè)備、信息安全、仿真制造等進(jìn)行高度集成，提升制造業(yè)數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化水平。

在“展開(kāi)技術(shù)比拼”議程中，教師引導(dǎo)學(xué)生從多個(gè)維度對(duì)比種子繁殖和嫁接繁殖的利弊，讓學(xué)生體悟到結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需要，能夠趨利避害地選擇恰當(dāng)?shù)姆敝撤绞?，甚至將兩種繁殖方式進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合——在不同的繁殖階段采用不同的繁殖方式，都是適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)。在該部分教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生通過(guò)自主對(duì)比學(xué)習(xí)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需要和社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，能夠樹(shù)立采用合理的繁殖方式加以推廣應(yīng)用的觀點(diǎn)，不僅僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，更是有效激發(fā)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任。這一舉多得的設(shè)計(jì)與核心素養(yǎng)創(chuàng)設(shè)的總體框架相吻合。

通過(guò)以上現(xiàn)象不難推出，軌枕在脫模過(guò)程中由于兩端不同步脫出致使一端軌枕?yè)跫绫豢ㄔ谀＞呃?，而另一端已?jīng)脫出，從而由于軌枕自重等因素將軌枕拉裂。

（2）發(fā)展新型前沿材料技術(shù)

已故女畫(huà)家孫多慈女士是吳健雄一輩子的閨蜜，孫多慈比吳健雄小一歲。她們相識(shí)于中央大學(xué)，那時(shí)她們一個(gè)讀藝術(shù)系，一個(gè)在物理系。孫多慈回憶當(dāng)年青春逼人的吳健雄簡(jiǎn)直是魅力四射、男女通吃：“遠(yuǎn)在民國(guó)20年即1931年，我們同在南京中央大學(xué)讀書(shū)，那時(shí)的健雄是一個(gè)嬌小玲瓏、活潑矯健的女孩子。她是江蘇太倉(cāng)人，一雙神采奕奕的眸子，靈巧的嘴唇，短發(fā)，平鞋，樸素大方但剪裁合身的短旗袍。在兩百左右的女同學(xué)中她顯得那樣地突出，當(dāng)然她也是一般男孩子的追求目標(biāo)。不僅男孩子，女孩子竟也有人為她神魂顛倒呢?！?/p>

不同溫度環(huán)境下，隨著溫度的升高，對(duì)雞群的休息行為產(chǎn)生的影響較大。通常雞在休息時(shí)，坐姿姿勢(shì)需要消耗的能量較少。當(dāng)溫度升高到26 ℃和30 ℃后，由于雞坐姿休息的百分比明顯下降，導(dǎo)致雞休息行為紊亂，導(dǎo)致休息質(zhì)量下降，不利于雞群健康生長(zhǎng)。此外，保持雞群體溫恒定是提高雞生產(chǎn)效率的前提，本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，26 ℃環(huán)境下，雞體核溫度變化幅度較小，隨著溫度升高，體核溫度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。同時(shí)，上下丘腦刺激會(huì)影響各個(gè)激素的分泌，溫度升高后，會(huì)顯著影響熱休克蛋白的濃度，最終導(dǎo)致雞出現(xiàn)熱應(yīng)激現(xiàn)象，顯著影響雞群的正常生長(zhǎng)。上述多方面的影響因素作用，會(huì)使肉雞的生產(chǎn)性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

重點(diǎn)研發(fā)第三代先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、超結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、耐液氫液氧復(fù)合材料、碳纖維蜂窩及夾層復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)/防熱一體化梯度復(fù)合材料等新型材料體系，逐步實(shí)現(xiàn)航天復(fù)合材料由“跟蹤仿制”到“自主創(chuàng)新”的轉(zhuǎn)變。

（3）推動(dòng)關(guān)鍵材料應(yīng)用

重點(diǎn)開(kāi)展第二代先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、耐高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)透波一體化復(fù)合材料等關(guān)鍵材料的工程化應(yīng)用技術(shù)研究，進(jìn)一步拓寬結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

（4）發(fā)展高效工藝及數(shù)字化機(jī)加裝配技術(shù)

重點(diǎn)開(kāi)發(fā)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的RTM 成型、自動(dòng)鋪絲/鋪帶、3D 打印、高效低損傷加工、數(shù)字化裝配、成型?機(jī)加?裝配數(shù)字化集成制造等制造技術(shù)，推動(dòng)航天復(fù)合材料制造技術(shù)低成本、自動(dòng)化、數(shù)字化的發(fā)展進(jìn)程。

（5）完善質(zhì)量提升技術(shù)

通過(guò)對(duì)某快遞公司在該項(xiàng)業(yè)務(wù)上所消耗的人員成本情況進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)快遞公司是通過(guò)投入大量的運(yùn)力資源，來(lái)達(dá)到保證即時(shí)配送準(zhǔn)時(shí)送達(dá)率的目的。所以，在保證服務(wù)時(shí)效的同時(shí)降低人員成本，從而提高快遞公司在該項(xiàng)業(yè)務(wù)上的收益，是快遞公司當(dāng)前所亟待解決的問(wèn)題。因此，在滿(mǎn)足配送時(shí)間窗的條件下，針對(duì)快遞公司現(xiàn)存問(wèn)題提出以配送員每次配送的收入最大為目標(biāo)函數(shù)，借此來(lái)降低運(yùn)力的數(shù)量，降低人員成本的支出，從而達(dá)到提高快遞公司收益的目的。假定(1)配送員的配送速度v均為同一定值；(2)配送員每次的配送量不能大于最高要求；(3)配送員每次的配送量不能小于最低要求；(4)配送員在取貨點(diǎn)取貨所消耗的時(shí)間均忽略不計(jì)。

重點(diǎn)開(kāi)展預(yù)浸料鋪覆工藝性能評(píng)價(jià)體系完善及其性能提升、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及大型構(gòu)件缺陷產(chǎn)生機(jī)制及控制方法、結(jié)構(gòu)選材優(yōu)化等研究，進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及工藝質(zhì)量控制水平。