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如今，國(guó)外高性能碳纖維和高韌性樹(shù)脂的發(fā)展以及復(fù)合材料的成形方法和自動(dòng)化制造技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了大型飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。
先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)、工藝性好，尤其是具有容易制造大型整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，因此復(fù)合材料受到飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的青睞，而且飛機(jī)整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)成為了發(fā)展的重要方向。
數(shù)十年來(lái)歐美發(fā)達(dá)實(shí)施了由政府和軍方組織、高校與科研機(jī)構(gòu)參加的多個(gè)復(fù)合材料發(fā)展計(jì)劃。這些計(jì)劃的實(shí)施突破了航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、工藝等關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)了復(fù)合材料技術(shù)的迅速發(fā)展，起到了顯著的效果。
本文就國(guó)外高性能纖維、高韌性樹(shù)脂及其復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用和大型整體結(jié)構(gòu)固化成型技術(shù)及制造技術(shù)進(jìn)行綜述。
國(guó)外復(fù)合材料纖維樹(shù)脂發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
高性能碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀
經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，以日本和美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)的碳纖維已經(jīng)形成了系列化的生產(chǎn)供應(yīng)體系。具代表性的是日本東麗公司形成了從T300到T1000的T系列碳纖維產(chǎn)品，東麗公司的碳纖維產(chǎn)品主要分為三個(gè)系列：T系列（T300、T400、T700、T800、T1000）碳纖維、M系列碳纖維和MJ系列碳纖維。美國(guó)Hexcel公司70年代開(kāi)發(fā)了AS系列PAN基標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維（包括AS4、AS4C、AS4D及AS6等碳纖維），隨著技術(shù)的發(fā)展又開(kāi)發(fā)了IM系列PAN基碳纖維，形成了IM6、IM7、IM8、IM9、IM10等系列產(chǎn)品，可用做結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，這些碳纖維均已實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化的穩(wěn)定生產(chǎn)。
高韌性樹(shù)脂發(fā)展現(xiàn)狀
高溫固化樹(shù)脂基復(fù)合材料經(jīng)歷了標(biāo)準(zhǔn)韌性、中等韌性、高韌性和超高韌性樹(shù)脂基體的發(fā)展過(guò)程。基本型環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料（標(biāo)準(zhǔn)韌性）的CAI值大約在100MPa~190MPa（如5208/T300、3501-6/AS-4等復(fù)合材料）；代韌性環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料（中等韌性）的CAI值大約在170MPa~250MPa（如R6376/T300、977-3/IM7等復(fù)合材料）；第二代韌性環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料（高韌性）的CAI值大約在245MPa~315MPa（如8552/IM7、977-2/IM7等復(fù)合材料）；而第三代韌性環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料（超高韌性）的CAI值已經(jīng)達(dá)到了315MPa以上（如3900-2/T800、977-1/IM7、5276-1/IM7和8551-7/IM7等復(fù)合材料）。
熱固性樹(shù)脂基體的增韌方法，已從橡膠增韌、熱塑性工程塑料增韌，發(fā)展到第三代的層間（interleaf）增韌和相轉(zhuǎn)移增韌。
橡膠增韌較好地解決了基體的韌性問(wèn)題，但是降低了復(fù)合材料的耐熱性。熱塑性工程塑料增韌較好地兼顧了基體的耐熱性和韌性問(wèn)題，形成了第二代增韌樹(shù)脂基體，要進(jìn)一步提高其復(fù)合材料的抗沖擊韌性，就必須進(jìn)一步增加樹(shù)脂中熱塑性樹(shù)脂的含量，采用熱塑性共混增韌的方法發(fā)展了層間增韌和相轉(zhuǎn)移增韌技術(shù)，滿(mǎn)足了預(yù)浸料制備與熱壓罐成型的工藝要求，形成了第三代增韌樹(shù)脂基體。
高性能復(fù)合材料的在飛機(jī)上的應(yīng)用情況
高性能碳纖維及高韌性樹(shù)脂復(fù)合材料的出現(xiàn)，使復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用已由原先的次承力結(jié)構(gòu)發(fā)展到機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)。
國(guó)外民機(jī)主結(jié)構(gòu)在選材上采用了由T800或相當(dāng)于T800的高強(qiáng)中模碳纖維與高溫固化高韌性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合的高韌性復(fù)合材料，以滿(mǎn)足復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)損傷容限要求。
美國(guó)軍機(jī)主結(jié)構(gòu)在選材上采用了由IM7高強(qiáng)中模碳纖維與高溫固化高韌性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合的高韌性復(fù)合材料，以滿(mǎn)足復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)損傷容限要求。
大型復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)固化成形技術(shù)
先進(jìn)飛機(jī)為獲得好的戰(zhàn)技性能和經(jīng)濟(jì)效益，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除滿(mǎn)足傳力、承力等功能和維護(hù)使用等要求外，還不斷追求高減重、低成本和長(zhǎng)壽命的目標(biāo)，因此各代飛機(jī)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的整體化得到了大幅提升：將十幾個(gè)零件甚至幾十個(gè)零件集成為尺寸從十幾米到幾十米的整體結(jié)構(gòu)，盡量減少由于連接所付出的重量、連接所引起的應(yīng)力集中以及眾多中小零件制造、裝配所需的工時(shí)和工裝，以降低成本。因此復(fù)合材料整體化結(jié)構(gòu)已成為新一代飛機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。
大型飛機(jī)復(fù)合材料壁板固化成形技術(shù)
大型飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼壁板的固化成形方式考慮到經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量可靠性一般采用筋條和蒙皮進(jìn)行膠接共固化。如空客A350WB復(fù)合材料機(jī)翼采用“T”形加筋壁板，波音787復(fù)合材料機(jī)翼采用“工”字型加筋壁板。這類(lèi)大型復(fù)合材料蒙皮鋪層采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)；長(zhǎng)桁組裝采用精確的定位技術(shù)；固化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮溫度場(chǎng)的均勻性及熱膨脹的影響，模具材料一般殷瓦鋼。
復(fù)合材料多墻盒段固化成形技術(shù)
多墻盒段是指兩根以上的墻和蒙皮組成的盒段結(jié)構(gòu)。
帶工字型墻的多墻盒段的成形固化工藝
帶工字型墻的多墻盒段的成形可采用整體共固化工藝、膠接共固化工藝、膠接工藝及其工藝組合。鋪層單元的劃分和芯模設(shè)計(jì)除考慮鋪層的可行性、裝卸方便、固化過(guò)程施壓均勻外還應(yīng)滿(mǎn)足成形后結(jié)構(gòu)筋條頂部外形的協(xié)調(diào)性和尺寸的精準(zhǔn)。共固化或膠接時(shí)上下模合模及芯模位置控制是固化或膠接質(zhì)量及外形精度的重要保證。
帶π筋條的多墻盒段的成形固化工藝
帶|D筋條的蒙皮壁板和復(fù)合材料墻（蜂窩或泡沫夾層壁板等）分別進(jìn)行共固化成形后，在兩塊壁板|D結(jié)構(gòu)內(nèi)涂上糊狀膠，與墻先后組裝，再固化成形。該方案模具設(shè)計(jì)和裝配工裝設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)是保證上下壁板-筋條位置的精確對(duì)應(yīng)。所采用的膠黏劑的流動(dòng)性及固化溫度有特定要求。該方法可以用于平尾、垂尾結(jié)構(gòu)或機(jī)身壁板等結(jié)構(gòu)。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自動(dòng)化制造技術(shù)
國(guó)外采用的自動(dòng)化制造技術(shù)主要有自動(dòng)鋪帶、絲束自動(dòng)鋪放等技術(shù)，是大型復(fù)合材料壁板及復(fù)合材料機(jī)身筒體制造的唯一手段，此外這些高效自動(dòng)化技術(shù)顯著提高了復(fù)合材料生產(chǎn)效率和制件內(nèi)部質(zhì)量，降低了成本，使復(fù)合材料性能優(yōu)化和低成本并存成為可能。
自動(dòng)鋪帶技術(shù)
自動(dòng)鋪帶技術(shù)用于大尺寸中小曲率的壁板構(gòu)件的鋪層，與手工鋪放相比，質(zhì)量穩(wěn)定，制造成本降低30%~50﹪，并可成形超大尺寸復(fù)合材料制件。在自動(dòng)鋪帶機(jī)上實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶裁剪、定位、鋪疊、輥壓等工序連續(xù)自動(dòng)完成。
此項(xiàng)技術(shù)在歐美已經(jīng)成熟，鋪帶機(jī)機(jī)械系統(tǒng)、CAD/CAM軟件、鋪放工藝技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造。如B1、B2轟炸機(jī)的機(jī)翼蒙皮，NavyA6轟炸機(jī)機(jī)翼蒙皮，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼蒙皮，波音777飛機(jī)機(jī)翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮，波音787機(jī)翼蒙皮等，A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的機(jī)翼蒙皮和安定面蒙皮，A350機(jī)翼蒙皮和翼盒，A400M機(jī)翼蒙皮和機(jī)翼大梁等均采用了自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造。
自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)
自動(dòng)鋪絲技術(shù)和纏繞技術(shù)相比，解決了復(fù)雜構(gòu)型纏繞時(shí)難以解決的架橋和滑移的瓶頸問(wèn)題，滿(mǎn)足各種復(fù)雜旋轉(zhuǎn)體鋪疊要求。
自動(dòng)鋪絲技術(shù)和自動(dòng)鋪帶技術(shù)相比，解決了自動(dòng)鋪帶在鋪疊帶臺(tái)階的翼面、小曲率半徑的凹面難以解決的瓶頸問(wèn)題，滿(mǎn)足各種復(fù)雜內(nèi)形結(jié)構(gòu)的壁板的鋪疊要求。
自動(dòng)鋪絲技術(shù)是在自動(dòng)鋪帶技術(shù)和纖維纏繞技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，自動(dòng)鋪絲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀整體結(jié)構(gòu)件三維軌跡的連續(xù)絲束鋪放，可以根據(jù)運(yùn)行軌跡當(dāng)?shù)氐匿伕矊挾茸赃m應(yīng)地調(diào)整絲束寬度，實(shí)現(xiàn)帶凸面、凹面及臺(tái)階、變厚、拐角等復(fù)雜內(nèi)型曲面結(jié)構(gòu)的鋪放。
自動(dòng)鋪絲設(shè)備主要由鋪絲頭、鋪絲頭支座、模具支架、預(yù)浸紗架以及張力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件組成。
國(guó)外自動(dòng)鋪絲設(shè)備有兩種結(jié)構(gòu)，立式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)。臥式結(jié)構(gòu)更適用于封閉的筒體復(fù)合材料構(gòu)件的鋪疊， 立式結(jié)構(gòu)更適合于大型機(jī)身類(lèi)壁板復(fù)合材料構(gòu)件的鋪疊。
自動(dòng)鋪絲技術(shù)在航空領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，具有代表性的有V-22飛機(jī)的后機(jī)身、F-22和F35均采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)制造復(fù)合材料S形進(jìn)氣道、B787的機(jī)身段、A380后機(jī)身。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)液體成形技術(shù)
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)液體成形方法主要應(yīng)用于除機(jī)翼主承力翼面、機(jī)身主承力筒體外的復(fù)雜、次承力大型整體結(jié)構(gòu)成型。
液體成形技術(shù)主要包括預(yù)制體制備縫合技術(shù)和樹(shù)脂轉(zhuǎn)移技術(shù)：RTM、RFI及VARI.
預(yù)制體制備縫合技術(shù)
預(yù)制體制備技術(shù)指采用織物縫合的方法制成零件結(jié)構(gòu)的骨架的技術(shù)。預(yù)制體制備是液體轉(zhuǎn)移成形技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。縫合預(yù)制體采用縫紉機(jī)對(duì)鋪貼好的織物進(jìn)行縫合，增強(qiáng)織物的縱向連接，滿(mǎn)足復(fù)合材料抗沖擊的要求，采用縫紉的方法連接各零件的疊層塊，形成結(jié)構(gòu)的預(yù)制體。
縫合設(shè)備的選用：對(duì)于平板件和曲率小的結(jié)構(gòu)件采用龍門(mén)式縫合設(shè)備；對(duì)于帶有復(fù)雜外形的結(jié)構(gòu)件采用機(jī)械手縫合設(shè)備。
RTM成形技術(shù)
RTM成形方法即樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑成形方法，其工藝過(guò)程是：先在模具型腔內(nèi)鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)好的纖維增強(qiáng)預(yù)成形體，然后利用真空或注射裝置提供壓力將專(zhuān)用樹(shù)脂注入到閉合的模腔內(nèi)，直至整個(gè)型腔內(nèi)的纖維增強(qiáng)預(yù)成形體完全被浸潤(rùn)，后進(jìn)行固化成形和脫模。
RTM成形模具技術(shù)：模具由對(duì)合模和芯模塊成，模具的型面精度和安裝位置的精度是保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形和內(nèi)形的基礎(chǔ)。對(duì)合模應(yīng)具有足夠的剛度，在注射過(guò)程中和固化時(shí)不允許變形，以滿(mǎn)足產(chǎn)品形狀及內(nèi)部質(zhì)量要求。模具上的注膠孔和溢膠孔應(yīng)根據(jù)樹(shù)脂流場(chǎng)設(shè)計(jì)來(lái)配置。
RTM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于次承力結(jié)構(gòu)如艙門(mén)和檢查口蓋，目前已應(yīng)用于垂尾級(jí)整體結(jié)構(gòu)制造。
VARI成形技術(shù)
VARI即真空輔助樹(shù)脂滲透成形技術(shù)是在RTM成形工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的另一種成形技術(shù)。適用于大型復(fù)合材料制件成形的低成本工藝方法。對(duì)預(yù)制體進(jìn)行抽真空，排除纖維預(yù)成形體內(nèi)的氣體后，再在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂的流動(dòng)和對(duì)纖維的滲透，通過(guò)溢出多余的樹(shù)脂控制樹(shù)脂含量，并帶走樹(shù)脂中裹入的氣泡，后在室溫或加熱條件下進(jìn)行固化成形。VARI成形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件空隙含量一般比層壓板結(jié)構(gòu)件孔隙率低。
VARI成形工藝由于樹(shù)脂的流動(dòng)僅靠真空牽引遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RTM的注射壓力，因此成形時(shí)，要求樹(shù)脂粘度更低，流動(dòng)路徑更短。
VARI成形技術(shù)適用于制造室溫和中溫成形的特大型復(fù)合材料構(gòu)件，。
RFI成形技術(shù)
RFI成形工藝即樹(shù)脂膜滲透成形，是復(fù)合材料液體成形工藝的一種。其主要原理是在預(yù)制體與模具之間按結(jié)構(gòu)的要求鋪設(shè)樹(shù)脂膜，固化過(guò)程中樹(shù)脂膜受熱熔化，在真空及壓力作用下樹(shù)脂液體滲透到預(yù)制體相應(yīng)部位并完成固化成形。
RFI成形工藝與其它傳統(tǒng)復(fù)合材料成形工藝的本質(zhì)區(qū)別就在于RFI工藝?yán)w維∕樹(shù)脂的浸潤(rùn)是由低粘度的樹(shù)脂在增強(qiáng)材料中滲透并排除增強(qiáng)材料織構(gòu)中的氣體和基體樹(shù)脂中的氣體而完成纖維∕樹(shù)脂的浸潤(rùn)。
RFI技術(shù)已用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造，如A380的機(jī)翼后緣和后壓力隔框，波音787機(jī)身的大部分隔框，GEnx的風(fēng)扇機(jī)匣等。
國(guó)外高性能碳纖維和高韌性樹(shù)脂的發(fā)展及復(fù)合材料的成形方法和自動(dòng)化制造技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了大型飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，值得借鑒。
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