航空复合材料整体成型技术研究

航空复合材料整体成型技术研究

林大威 ,张岩

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司

摘要：航空设备制造过程中，复合材料的利用率较高，不仅可以提高相关零部件的强度，还能够实现节能环保的发展目标，此类材料具备相对较强的可塑性及刚度，应用于航空设备零部件的生产制造中，能够体现很强的应用优势。为了保证航空复合材料整体成型技术应用的实效性，应该加强对不同复合材料的分析，同时，明确多元化整体成型技术的工艺特点，制定切实可行的技术应用计划，构建高效的航空设备零部件生产制造模式，充分体现复合材料整体成型技术的实际价值，让航空航天事业的快速稳定发展拥有坚实基础。

关键词：航空领域；复合材料；整体成型技术；翼身融合

将复合材料整体成型技术应用于航空飞行器零部件生产制造及装配过程中，有利于简化操作流程，减少给技术人员带来的工作压力，节约制造成本的同时提高生产效率。为此，应该加强对航空复合材料整体成型技术的有效应用，强化翼身高度融合，合理选择工艺措施，逐步形成健全的整体成型技术应用体系，有利于提升航空制造业的综合发展水平。

1.复合材料整体成型技术的主要应用优势

1.1有利于强化对复合材料构件制造成本的有效控制

航空复合材料整体成型技术的应用，会涉及到很多技术类型，需要将诸多零件整合成一个或者多个零件，不仅可以减少材料结构的分段，还应通过良好地对接，减少材料结构质量。由于复合材料的成本计算需要以单位质量为依据，所以通过减轻材料结构的质量，有利于达到降低生产成本的目的。

1.2有助于提高飞机构件装配操作的效率及结构质量

应用航空复合材料整体成型技术的过程中，能够将紧固件从几万减少到几千或者几百，有利于减少结构质量，简化设计制造操作流程，进而提高生产作业及装配工作效率。立足于复合材料承力结构机械连接的角度，使用的紧固件体现出一定的特殊性，通常以钛合金紧固件为主，此种紧固件在使用及安装的过程中，需要投入较多成本，而在具体施工操作过程中，钻孔以及锪窝难度较大，给技术人员带来巨大压力。钛合金紧固件的安装无法保证操作效率，需要技术人员利用特殊刀具进行操作，但是对技术人员专业能力的要求较高，投入的成本较高。针对航空配件的装配环节而言，大型零件的使用能够减少人力资源的投入，不仅可以减少配合孔，还有助于减少装配环节出现的操作误差，为配件质量提供基础保障。

1.3有利于进一步形成翼身高度融合的设计制造体系

针对航空复合材料的成型而言，翼身融合具体指机身与机翼的融合，主要采用整体结构设计的方式，配合落实整体制造工作。因为复合材料整体成型技术的应用有利于降低翼身融合设计难度，所以在相关领域中有着广泛应用。例如，美国无人作战飞机X45-A，以高度翼身融合体的无尾式飞翼进行布局，在机身的整体结构中，复合材料的使用在50%以上，并且多数构件均采用整体成型技术制作而成。除此之外，无人作战飞机X-47A依托于高度翼身融合体的无尾飞翼式布局方式，利用复合材料作为全机结构材料，使得复合材料整体成型技术的应用优势得到充分体现。

1.4有助于降低雷达反射面积及强化飞行器隐身性能

因为整体成形工艺的应用使得传统飞机机身结构上的大量缝隙得到减少，且无需投入使用很多的紧固件头以及台阶，有助于实现机身扁平设计，能够达到扁平化制造的目的，可以减少飞机雷达的反射面积。此外，采用整体成型技术，能够实现机体结构内部及外表与吸波材料的融合，有利于提高机身结构对雷达波的吸收率，强化机身的基本性能，突显飞行器的隐性性能，不断提升飞机的飞行水平。

2.航空复合材料整体成型技术的工艺方法

2.1预浸料—热压罐法的分类及要点

2.1.1共胶接成形工艺的应用要点

共胶接技术是飞机复合材料整体成型技术中预浸料-热压罐法的一种，具体指利用胶粘剂连接一个或多个已固化成型的构件与一个或多个未固化的预成型构件，使其能够经过相关操作成为一个整体，此种工艺方法的利用率较高。共胶接技术不仅可以保证先固化零件的质量，还有利于降低制作整体化结构时的质量风险，进一步强化共胶接工艺的可靠性、安全性。此外，此种技术应用过程中，需要先固化一个或者多个零件，可以在一定程度上降低工艺操作难度，在软硬组合的过程中，可以强化固化零件与未固化零件配合使用过程中的协调性，进而保证共胶接技术应用质量。但是此项技术在实际应用过程中，需要相对较长的零部件制造周期。

2.1.2共固化成形工艺的应用要点

共固化技术具体指采用同一固化一次固化成型的方式，使得2个或者多个预成型件构成一个整体构件，为常用技术工艺。共固化技术在实际应用过程中，仅需要经过一次固化即可成型，无需投入大量的人力、物力、财力等资源，体现出很强的经济性，技术人员无需考虑不同装配组件之间的协调性。同时，共固化得到的结构具备良好的整体性。但是此项技术在运用过程中存在一定不足，即对共固化树脂工艺性要求很高，具体作业中使用的模具需要投入很高成本，并且，针对夹层结构构建的共固化成型来说，对树脂的粘性要求较高，立足于整体的角度进行分析，容易引发较高工艺风险，需要在实际应用中进行合理选择。

2.1.3二次胶接成形工艺的应用要点

二次胶接技术的应用需要将2个或者2个以上已固化复合材料零件连接起来，以胶接方式为主。此种工艺的应用优势较为明显，即在胶接过程中不会出现应力集中的情况，有助于延长整体结构的疲劳寿命，能够强化结构的稳定性，同时，在二次胶接操作时，无需进行钻孔作业，此种条件下，能够保证结构的密封性及完整性满足实际要求。因为零件胶接过程中体现出分次固化的特点，所以降低了工艺风险。立足于技术应用缺点的角度，二次胶接技术的应用需要更多固化次数，要求投入更高的成本，且对操作环境有特殊要求。

2.2液体成型法的分类及要点

2.2.1RTM成形工艺的应用要点

树脂转移模塑又称为RTM，属于模具型腔内铺置纤维增强预制体的一种，通常需要利用注射装置或者真空装置提供压力，向闭合的模具型腔内注入树脂材料，达到浸润预制体的目的，在固化成型后，配合进行脱模操作，能够得到想要的结构件。RTM成型法具备的优势呈多元化，如可以实现对结构复杂构件的设计制造，同时具备很强的近净形化能力，得到的构件拥有很高的精度，并且稳定性强、孔隙率低。RTM成形工艺适用于尺寸较大构件的制作，且在具体操作过程中不会产生较多的环境污染，新时期节能环保的要求，在中等规模构件的制作中能够得到良好的成效。与模压成形以及缠绕成形工艺相比，无需投入过多生产制造成本。但是RTM成形工艺对树脂机体的要求较高，而纤维浸渍很难达到规定标准，使用的闭合模具对设计水平和制造能力要求较高。

2.2.2RFI成形工艺的应用要点

RFI成形工艺在航空复合材料整体成型中较为常用，即树脂膜熔渗工艺，在预制体下放置专用热固性树脂膜，并利用真空袋进行封装，选择合适压力及温度的热压罐，将模具放入其中，此种环境条件下，树脂膜会逐渐熔化，之后在不断流动的过程中将预制体浸渍，之后逐步完成充模，液体经过固化成型。此种工艺技术在超大型复合材料构件的制作中，体现出很强的适用性，且能够在形状复杂构件的制作中发挥重要作用。RFI成形工艺得到的构件拥有很高的纤维含量，同时具备良好的工艺重现性，与其他成形工艺相比，构件的孔隙率较低，无需投入大量的时间进行生产，一定程度上降低了劳动难度，减少了劳动量投入。因为RFI成形工艺没有预浸料制备环节，不会导致预浸料的大量挥发，体现出很强的环保性。但是此项工艺技术需要专门的树脂膜，可供使用的树脂种类较少，增加了材料选择难度，给构件的设计制造带来阻碍。

2.2.3VARI成形工艺的应用要点

VARI成形工艺具体指Vacuum Assisted Resin Infusion，又称为真空辅助树脂注塑成形工艺，工艺操作需要在真空环境中完成，将纤维增强预制体中的气体排出，在树脂流动作用下，经过渗透以及预制体浸渍，逐渐在室温条件下固化，进而得到想要的结构件。此种成形工艺能够制作大尺寸的复合材料构件，需要选择使用真空条件下不漏气的单面模具，此种技术操作成本较低，且对作业环境温度要求不高，得到的构件拥有良好的力学性能，同时，构件孔隙率低以及纤维含量高，无需投入较高的成本，仅会产生少量的能耗，但是成型过程中对树脂机体要求较高。

2.2.4 AFP／ATL成形工艺的应用要点

在工业发展水平较高的地区，自动铺放技术的应用范围较为广泛，即AFP/ATL，此项技术属于自动化制造技术的一种，主要涉及到自动铺丝技术以及自动铺带技术，以上两项技术拥有相似之处，具体指均采用预浸料，且能够在具体操作过程中实现数字化制造、自动化制造，体现出很强的高效性。在大型复合材料结构件制作过程中，自动铺放技术体现出较强的适用性，且在大型飞机构件制作中的利用率较高。针对此项技术的实际应用而言，通过分析德温特数据库，能够查询到345条与此项技术相关的专利，常见的专利申请企业有丰田、空客以及波音等，专利涉及的范围较广，包含铺带数字化控制、铺放头结构以及铺放设备等，部分企业还申请了与复合材料成形工艺相关的专利，此类专利体现出很强的集成化特点，适用于自动化生产线的运行。

3.复合材料整体成型技术在航空领域的应用现状及整体发展

3.1复合材料整体成型技术的应用现状

新时期航空航天事业的发展过程中，不断提高对复合材料的重视，且逐渐加强对此类材料的应用。传统的复合材料应用中，通常以非承力构件的制造为主，现代化设计制造中，多用于承力构件的制造，并且，在各类整体成型技术逐渐得到推广及应用的过程中，让航空构件的制造拥有坚实基础。在国内一些军民飞行器方面，先进复合材料已经得到广泛应用，其中利用率较高的位置有升降舵、水平安定面以及飞机机翼等，以上部位都是飞行器的关键构成。在科学技术取得长足进步的背景下，航空制造能够实现多种设备构件的自动化、规模化生产，一定程度上突显了复合材料的实际效用，同时提高了航空构件的制造效率。

3.2现阶段整体成型技术的应用成效

复合材料成型技术在航空领域的机翼、机身、平尾以及球面框等位置有广泛应用，且得到显著成效，能够保证飞行器的质量及飞行过程中的稳定性。应用整体成型技术可以降低结构重量，且有利于减少设备构件生产制造中投入的时间，有利于提高航空零部件生产制造的时效性。航空领域通过利用多种整体成型技术，能够实现对加筋工件以及壁板等的制造，同时在部分曲型结构的制造中发挥重要作用，与复合材料加工拥有较强的契合性。

3.3复合材料整体成型技术的未来发展

针对航空领域的实际发展来说，相关的技术研发队伍开发了环氧和双马来酰亚胺预浸料，此类预浸料能够实现常温加压目标，且可以达到零吸胶的目的。传统的整体化复合材料构件制造过程中，存在加压窗口影响构件质量的问题，同时成型过程中的温差较大，不利于标准化生产，而新型预浸料的研发，摆脱了传统制造工艺的束缚，一定程度上提升了整体化复合材料构件以及大尺寸复合材料构件的制造水平。因为国内的航空复合材料整体成型技术水平还无法达到国际化应用标准，所以，有关部门应该加强对相关技术的研究分析，结合国内航空航天事业的实际发展情况和基本需求，加大整体成型技术的研发力度，为航空航天事业的快速稳定发展提供驱动力。

结语：现代化发展背景下，航空航天事业的发展水平不断提高，相关技术的应用也趋于成熟，而航空复合材料整体成型技术的应用水平亟待提升，需要加强对相关技术的改进与创新。复合材料整体成型技术的应用可以减少构件质量，通过减少投入使用的紧固件数量，有利于强化生产制造成本控制，且可以提高生产制造效率。为此，需增强整体成型技术工艺方法分析意识，结合实际生产情况及制造需求，合理选择整体成型技术类型，明确技术应用要点，编制科学完善的技术应用方案，突显复合材料整体成型技术的应用优势，为航空航天事业的长远可持续发展提供动力。

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