復合材料在飛機上的應用
隨著復合材料制造技術的發展，復合材料在飛機上的用量和應用部位已經成為衡量飛機結構先進性的重要標誌之壹。復合材料在飛機上的應用趨勢有如下幾點：
（1）復合材料在飛機上的用量日益增多。
? 復合材料的用量通常用其所占飛機機體結構重量的百分比來表示，世界上各大航空制造公司在復合材料用量方面都呈現增長的趨勢。最有代表性的是空客公司的A380客機和後續的A350飛機以及波音公司的B787飛機。A380上復合材料用量約30t。B787復合材料用量達到50%。而A350飛機復合材料用量更是達到了創紀錄的52%。復合材料在軍機和直升機上的用量也有同樣的增長趨勢，近幾年得到迅速發展的無人機更是將復合材料用量推向更高水平。
（2）應用部位由次承力結構向主承力結構發展。
最初采用復合材料制造的是飛機的艙門、整流罩、安定面等次承力結構。目前，復合材料已經廣泛應用於機身、機翼等主承力結構。主承載部位大量應用復合材料使飛機的性能得到大幅度提升，由此帶來的經濟效益非常顯著，也推動了復合材料的發展。
（3）在復雜外形結構上的應用愈來愈廣泛。
? 飛機上用復合材料制造的復雜曲面制件也越來越多，如A380和B787飛機上的機身段，球面後壓力隔框等，均采用纖維鋪放技術和樹脂膜滲透（RFI）工藝制造。
（4）復合材料構件的復雜性大幅度增加，大型整體、***固化成型成為主流。
在飛機上大量采用復合材料的最直接的效果是減重，復合材料制件采用***固化、整體成型技術，能夠成型大型整體部件，明顯減少零件、緊固件和模具的數量，減少零件裝配，從而有效地降低制造成本。
（5）復合材料的制造手段和先進專用設備得到迅速發展和廣泛應用。
傳統的復合材料制造技術自動化程度低，復合材料制件的質量不穩定，分散性大，可靠性差，生產成本居高不下，無法生產大型和復雜的復合材料制件。飛機結構尺寸的不斷增加使大尺寸復合材料制件的制造工藝變得極為重要。
近年來，出現了各種各樣的自動化程度較高的制造技術，如纖維鋪放、樹脂膜轉移成型/滲透成型、電子束固化等技術。隨之研制並得以工業化應用的先進、高效、低成本專用設備也層出不窮，如三維編織機、全自動鋪帶設備和絲束鋪放設備等。這些高效自動化設備顯著提高了復合材料生產效率和制件內部質量，降低了成本，使復合材料性能最優化和低成本並存成為可能。
復合材料制造工藝及主要設備
復合材料成型是壹個比較復雜的過程。隨著各種新工藝、新技術的湧現，復合材料制造工藝已成為復合材料加工制造的關鍵，涵蓋的技術面廣、技術含量高，涉及的成本份額占總成本的80%以上。
?根據用途、批量、市場等要求的不同，航空航天用復合材料產品的成型工藝采用了手工鋪層、半自動成型、全自動成型以及液體成型等技術。下面就生產中主要涉及的工藝方法和主要設備加以重點說明。
（1）手工鋪層。
?目前，手工鋪層仍是被廣泛使用的傳統成型方法，甚至像B-2轟炸機以及壹些通用飛機的制造也采用了大量的手工鋪層工序。因為這些產品的定貨量往往是壹位數，而質量要求很高。手工鋪貼方法的優點是可使蒙皮厚度有大的變化，進行局部加強，嵌入接頭用的金屬加強片，形成加強筋和蜂窩夾芯區等。
目前，手工鋪層使用了許多專用設備來控制和保證鋪層的質量，如復合材料預浸料自動剪裁下料系統和鋪層激光定位系統等，即采用專門的數控切割設備來進行預浸料和輔助材料的平面切割，從而將依賴於樣板的制造過程轉變為可根據復合材料設計軟件產生的數據文件進行全面運作的制造過程。
? 手工鋪層的缺點是要求鋪層人員有很高的技藝和施工經驗，手工鋪貼費工費時，因此效率低、成本高（占總成本的1/4），難以適應大批量生產和大型復雜復合材料制件的生產要求。因此，在60年代初，在手工鋪層復合材料實施幾年之後，就開發了自動鋪帶（ATL）技術。
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即使在美國,人工鋪帶也仍然采用,這是美國 Liberty Aerospace的工人正在操作
（2）自動鋪帶（ATL）。
?自動鋪帶技術采用有隔離襯紙的單向預浸帶，其裁剪、定位、鋪疊、輥壓均采用數控技術自動完成，由自動鋪帶機實現。多軸龍門式機械臂完成鋪帶位置的自動控制，鋪帶頭上裝有預浸帶輸送和切割系統，根據待鋪放工件邊界輪廓自動完成預浸帶的鋪放和特定形狀位置的切割。預浸帶在加熱狀態時，在壓輥的壓力作用下鋪疊到模具表面。
?自動鋪帶機根據鋪放制件的幾何特征可分為平面鋪帶和曲面鋪帶兩類。隨著自動鋪帶設備、編程、計算機軟件、鋪帶技術以及材料的進壹步發展，自動鋪帶的效率變得更高，性能更可靠，操作性更友好。與手工相比，先進鋪帶技術可降低制造成本的30%～50％，可成型超大尺寸和形狀復雜的復合材料制件，而且質量穩定，縮短了鋪層及裝配時間，工件近凈成型，切削加工及原材料耗費減少。目前，最先進的第五代鋪帶機是帶有雙超聲切割刀和縫隙光學探測器的十軸鋪帶機，鋪帶寬度最大可達到300mm，生產效率可達到手工鋪疊的數十倍。
?自動鋪帶機要成型復雜雙曲率型面，需采用窄帶，工作效率會降低，而壹臺鋪帶機的價格需要3～5百萬美元，成本太高。由此，Hercules率先開發了自動絲束鋪放（ATP）設備。
（3）自動絲束鋪放（ATP）。
?自動絲束鋪放技術結合了自動鋪帶和纖維纏繞技術的優點，鋪束頭把纏繞技術所用的不同預浸紗束獨立輸送和鋪帶技術所用的壓實、切割、重送功能結合在壹起，由鋪束頭將數根預浸紗束在壓輥下集束成為壹條寬度可變的預浸帶，然後鋪放在芯模表面，鋪放過程中加熱軟化預浸紗束並壓實定型。
? 與自動鋪帶相比，自動鋪絲束技術可以成型更復雜的結構件，材料消耗率低，是自動化制造技術的頂峰，ATP設備對復合材料的重要性相當於銑床對金屬材料結構的重要性。它是介於自動纏繞與自動鋪帶之間的壹種鋪層方法，特別適於復雜構件的制造。自動鋪放技術的基礎是鋪放機的設計與開發。
? 以美國辛辛那提機床公司Viper纖維鋪放機系統為例。Viper纖維鋪放系統將纏繞、特型鋪帶及計算機控制結合起來，自動生產需要大量手工鋪層的復雜零件，從而縮短鋪層及裝配時間，由於工件近凈成型，切削加工及原材料耗費減少。
沃特公司制造波音787的23%的機身，其中包括5.8m×7m的47段及4.3m×4.6m的48段，采用了來自辛辛那提公司的自動鋪放機Viper6000。制造時，將東麗的3900系碳/環氧無緯帶鋪疊在大的筒形旋轉模具上，模具由互鎖的芯軸組成，筒形件鋪成後放在23.2m×9.1m的、世界上體積最大的熱壓罐中固化。目前，自動絲束鋪放機已可鋪放窄帶及寬帶絲束。
預浸絲束/帶的機器人自動鋪放已成為高性能纖維增強復合材料結構的壹種強力高效技術。它是機電裝備技術、CAD/CAM軟件技術和材料工藝技術的綜合集成，包括：自動鋪放裝備技術、預浸絲束/帶切割技術、鋪放CAD技術、鋪放CAM技術、預浸絲束/帶技術、自動鋪放工藝技術、鋪放質量控制、模具技術、成本分析及控制和壹體化協同數字化設計技術等，具有高效率、高質量、高重復性和低成本等優點。
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Viper6000大型ATP機,代表了當今自動絲束鋪放最高水平
（4）熱壓罐固化成型。
? 熱壓罐固化成型是航空航天復合材料結構件傳統的制造工藝，它有產品重復性好、纖維體積含量高、孔隙率低或無孔隙、力學性能可靠等優點。熱壓罐固化的缺點主要是耗能高以及運行成本高等。而目前大型復合材料構件必需在大型或超大型熱壓罐內固化，以保證制件的內部質量，因此熱壓罐的三維尺寸也在不斷加大，以適應大尺寸復合材料制件的加工要求。目前，熱壓罐都采用先進的加熱控溫系統和計算機控制系統，能夠有效地保證在罐內工作區域的溫度分布均勻，保證復合材料制件的內部質量和批次穩定性，如準確的樹脂含量、低或無空隙率和無內部其他缺陷。這也是熱壓罐壹直沿用至今的主要原因。
（5）復合材料液體成型。
? 復合材料液體成型已是十分普及的工藝，它是以樹脂轉移成型（RTM）為主體，包括各種派生的RTM技術，大約有25～30種之多，其中，RTM、真空輔助RTM（VARTM）、真空輔助樹脂註射成型（VARI）、樹脂膜熔浸成型（RFI）和樹脂浸漬成形（SCRIMP）被稱為RTM的5大主要成型工藝，也是目前應用最多的RTM工藝。
? RTM的優點是成品的損傷容限高，可成型精度高、孔隙率小的復雜構件及大型整體件。RTM成型的關鍵是，要有適當的增強預形件以及適當黏度的樹脂或樹脂膜。RTM要求樹脂在註射溫度下的黏度值低，第壹代環氧樹脂的粘度要求在500cps（0.5Pa·s）以下，以前對於較大尺寸的構件要求樹脂黏度低於250cps（0.25Pa·s），RTM工藝的主要設備是各種樹脂註射機和整體密閉型模具。
? 隨著新型增強材料結構的不斷創新，編織技術和預成形體技術與RTM技術相結合，形成了新的工藝發展和應用方向。如采用三維編織技術將增強材料預制成3D結構，然後再與RTM工藝復合，也可將纖維織物通過縫紉或粘結的方法，直接預制成制件形狀，再采用RTM工藝成型復合材料。
? 例如，EADS軍用飛機公司為B787後機身段制造的後壓力隔框，它是壹個半球形的整體隔框，插在增壓的機身47段及非增壓的48段及尾段之間，它是用VARTM制造的，尺寸大約為4.3m×4.6m，波音787是首架具有復合材料後壓力隔框的飛機。該隔框的制造得益於Cytec公司的樹脂熔滲膜系統。韌化的復合材料有頂級阻燃/煙/毒性能，可以取消防火層，從而比傳統的樹脂熔滲法制得的結構輕。而波音787機身的大部分隔框則采用了碳纖維樹脂膜熔滲RFI技術制造，復合材料隔框用碳纖維復合材料抗剪箍連接在機身蒙皮上，由於設計及成本上的原因，少數部位仍采用鈦合金及鋁合金隔框。
（6）隔膜成型。
? 隔膜成型原是壹種為熱塑性復合材料開發的成型工藝，後發現用於熱固性復合材料具有很廣泛的用途。它具有成型過程中纖維不易滑動、不易產生皺褶的特殊功效，非常適用於加工大型飛機機翼前梁的C形截面。在近年推出的A400M等大型飛機前梁C形截面中，已廣泛采用了這種工藝方法。
? 為成型出C形截面，預形件從鋪帶機上卸下送到由英國Aeroform公司提供的熱包膜成型機設備上成型。為便於抽真空，預形件應夾在兩個由俄亥俄州的杜邦電子技術公司提供的Kapton聚酰亞胺薄膜之間。薄膜之間抽真空，然後從零件上面進行紅外加熱，直到1h內將溫度升到60℃。這樣可以保證即使在梁根部的最厚截面中心，也可均勻加熱到同壹溫度。然後緩緩對兩薄膜間層合板加壓，而在輕質模具上形成梁的內表面。這個C形截面可在30min內緩慢成型之後，去掉Kapton薄膜。
在歐洲推出的ALCAS計劃中，這種成型方法已成為加工飛機前梁的壹種典型工藝方法。
（7）復合材料制件加工、裝配及無損檢測。
? 復合材料制件成型後，需要進行機械加工，包括外形尺寸加工、鉆孔等，要求具有很高的加工質量。復合材料制件屬於脆性各向異性材料，常規的加工方法不能滿足復合材料加工質量要求。傳統切割方式在加工纖維材料時具有以下缺點：切割速度慢、效率低；復合材料制件屬於易變形材料，切割精度難以保證；在切割高韌性材料時，刀具和鉆頭等磨損快、損耗大；加工復合材料層合板時易發生分層破壞等。因此要求復合材料生產需配備大型自動化高壓水切割機、超聲切割設備和數控自動化鉆孔系統等專用設備，以滿足復合材料制件經加工後無分層磨損且符合裝配尺寸精度的要求。
? 大型機翼蒙皮層合板壹般采用大型高壓水切割機進行凈形切割，世界上最大切割機的床身為36m×6.5m，由Flow International公司制造。這種磨粒噴水切割機可以快速切割厚的層合板而不致產生層合板過熱，25mm厚的層合板可以0.67m/min速度切割，對6mm薄的層合板，切割速度可以高達3m/min，厚的蒙皮可以0.39m/min速度切割。
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? 超聲切割設備將超聲振動能量加載在切割刀具上，可有效地分離纖維材料的邊界，從而有效解決上述傳統切割方法帶來的問題。超聲切割技術的切割質量優良，具有無毛刺、無刀具磨損、無碳化材料、切割力小、不易造成分層，切割速度快、精度高等特點。已經在國外航空企業內得到廣泛的應用。
? 隨著飛機的金屬結構逐漸向復合材料結構轉移，復合材料制造的自動化顯得日益重要。而自動化程度較高的裝配技術尤其顯得重要。復合材料的使用使飛機機體有可能采用大型整體結構件制造，如787最後總裝只進行六大部件的對接，即前機身、中機身、後機身、機翼、水平安定面和垂直尾翼。這些整體大部件使裝配過程中避免使用傳統巨型工裝，而更多地采用便攜式工具。飛機結構件的移動不采用龍門吊車。
? 柔性裝配、自動鉆鉚等先進技術集成應用於復合材料大型部件的自動裝配中。飛機柔性裝配技術考慮作為裝配對象的航空產品本身特征，基於飛機產品數字化定義，通過飛機柔性裝配流程、數字化裝配技術、裝配工裝設計、裝配工藝優化、自動定位與控制技術、測量、精密鉆孔、伺服控制、夾持等實現飛機零部件快速精確的定位和裝配，可減少裝配工裝的種類和數量，提高裝配效率和裝配準確度，提高快速響應能力，縮短飛機裝配周期，增強飛機快速研制能力。它是壹種能適應快速研制、生產及低成本制造要求、滿足設備和工裝模塊化可重組的先進裝配技術。如B787的復合材料機翼結構件的移動采用了自動化導引車等柔性裝配技術。
? 自動鉆鉚機廣泛應用於復合材料大型部件的自動裝配，如A380機翼裝配采用了自動化可移動鉆孔設備。這些鉆削設備與傳統金屬材料鉆削設備的本質區別在於，為保持鉚釘孔周圍的結構完整性，要求鉆孔時無分層，因此制孔壹般要用硬質切削刀具，采用多步鉆孔法。鑒於復合材料的制造方法不同，其可切削加工性也各異。例如，編織結構為“十”字形花樣的織物，比單向排列的織物帶易切削，後者的磨損力更大且易產生分層、鉆孔時有纖維未切到的問題。因此，根據復合材料構件不同的成型方式，應選擇不同的鉆削參數、材料及形狀的鉆頭。
意大利自動鉆鉚機
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? 復合材料制件無損檢測設備主要需要配置大型超聲C掃描設備和X光無損檢測設備。此外，激光剪切攝影及激光超聲檢測也是主要發展方向。
? 在超聲檢驗技術方面最重要的進展之壹是相控陣檢驗的開發。相控陣超聲檢驗與傳統超聲檢驗相比，改進了探測的概率，並明顯加快了檢驗速度。
? 傳統的超聲檢驗要用許多個不同的探頭來作綜合性的體積分析，而相控陣檢驗用壹個多元探頭即可完成同樣的結果。這是由於每壹個元素探頭可以進行電子掃描和電子聚焦，每壹元素探頭的啟動有壹個時間上的延遲。其結果是合成的超聲束的入射角可加以變化，焦點深度也可以變化，這就是說體積檢驗的速度可以比傳統法快得多。因為用傳統法時，探頭必須適時更換，而且必需多路傳輸才能得出不同的入射角和焦點深度。此外，相控陣探頭可提供更寬的覆蓋範圍，從而比傳統探頭有更高的生產效率。
（8）復合材料數字化設計制造壹體化。
? 復合材料零件成型獨特的工藝特點決定了它在設計制造方面與金屬零件有很大差異，而且更加復雜。
復合材料構件數字化設計制造以復合材料設計/制造平臺和附和材料數字化制造設備為軟硬件基礎。改變了傳統復合材料的設計/制造方式，采用數字量形式對產品進行全面描述和數據傳遞，實現了設計與制造之間的無縫集成。
復合材料設計軟件與現有CAD系統的集成為設計/制造復合材料構件提供了有力平臺。包括初步設計、工程詳細設計、制造詳細設計和制造輸出4個階段。
? 復合材料構件數字化制造過程包括預浸料下料、鋪層鋪放、固化等工序，目前復合材料構件數字化制造主要體現在預浸料自動下料、激光鋪層定位和纖維自動鋪放等方面。
? 例如，在B787項目中復合材料構件均采用了FiberSIM軟件進行數字化設計，將設計數據向全球夥伴發放，從而保證了復合材料構件數據的唯壹性和準確性。由於B787大量采用數字化設計，因此其研發周期比B777縮短了3年。
復合材料構件數字化設計制造使實施並行工程成為可能，在設計早期階段解決制造問題，大大減少了車間修改和重復工作。設?計和制造數據的無縫集成縮短了制造時間，減少了人工編程帶來的誤差，提高了構件質量。
結束語
? 綜上所述，隨著復合材料在飛機上用量的遞增，使復合材料制造業迅速成為飛機制造業的主要組成部分。今後飛機50%以上的結構件將由金屬轉為復合材料，復合材料制造將成為飛機制造的基本手段。復合材料制造工藝和專用設備是先進復合材料關鍵技術之壹，值得我們投入大量的人力物力加以研發和應用。掌握了先進復合材料制造技術，就掌握了未來飛機的先進制造技術。