復合材料整體成型關鍵技術現狀分析研究

摘 要：復合材料具有減輕結構重量，適合整體成型，提升結構安全性，降低生產成本等諸多優勢，目前復合材料已經成為航空工業的研究熱點，未來航空市場的競爭，很大一部分也是先進復合材料應用的競爭，目前在這塊市場上，我國的基礎實力較為薄弱，而發達國家對于先進的復合材料技術對我國高度保密，因此充分利用專利信息，研究復合材料整體成型技術的發展現狀具有非常重要的意義。本文從專利的角度對航空復合材料整體成型技術的應用進行了分析，并從幾個關鍵技術點上進行重點專利分析，以期能給復合材料的研發應用提供指導。

關鍵詞：復合材料 自動鋪放 液態成型 熱壓罐 真空袋 擠壓成型

中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)12(a)-0000-00

復合材料整體成型技術正廣泛的應用在航空航天及其他技術領域，由于復合材料的整體成型具有降低制造成本，減輕結構重量，提升航天器的經濟環保性等諸多優點。飛機上的復合材料使用量已經成為衡量其先進性的重要標準[1]。

飛機設計領域向來有為減輕每1g重量而奮斗的原則，因此發展復合材料成型技術的符合民機技術發展的趨勢，也反映了目前低碳節能，綠色環保的飛機設計理念的要求。

目前如空客公司的A350，波音公司的B787的復合材料的用量已經達到了50%。 當前各國都將先進復合材料制造技術作為研發重點，而從“產品未動，專利先行”的角度出發，大量復合材料技術都可以在專利文獻中找到，因此積極利用專利信息開展現狀分析，挖掘具有借鑒價值的專利具有十分積極的意義。

1復材整體成型技術發展概況

現代先進復合材料起源于20世紀60年代，70年代復合材料開始應用在飛機結構上，復合材料的加入對飛機結構輕質化、模塊化起著中重要的作用。近年來先進復合材料在現代飛機上的用量不斷擴大，已經成為鋁，鋼、鈦之外的第四大航空結構材料[2]。復合材料整體成型技術經過了幾個階段的發展，已經逐漸從次承力件過度到主承力件，波音空客兩大民機巨頭在民機市場競爭

日趨激烈，在復合材料方面也不斷搶占技術制高點，推出的機型中無一不把提高復合材料用量作為經濟性，先進性的象征性指標。從專利領域來看，近幾年兩大航空企業的復合材料相關專利的申請量也在不斷劇增，波音公司憑借其一直以來在復合材料應用領域的雄厚基礎，申請了大量極具技術價值的基礎專利，同時針對這些基礎專利不斷進行改進形成新的專利申請。空客公司作為后起競爭者憑借歐洲航空工業在復材領域的雄厚基礎，不斷進行大膽創新，在該領域申請的大量的專利也大有后來居上的態勢。可見現代民機企業都在不遺余力的提升復合材料的研發力度。

當前復合材料的成型技術主要包括真空袋-熱壓罐成型技術，自動鋪放技術(AFP/ATL)，液態成型技術（LCM、RTM/RFI），及拉擠成型技術(Pultrusion)、層合板成型技術等。

分類號分類解釋

B32層狀產品 （夾層復合材料如ARALL GLARE，及其他金屬復合材料等）

B29B29B成型材料的準備或預處理；制作顆粒或預型件；塑料或包含塑料的廢料的其他成分的回收

B29C塑料的成型或連接；塑性狀態物質的一般成型；已成型產品的后處理，如修整

B29K與小類B29B、B29C或B29D聯合使用的、涉及成型材料或涉及用于增強材料、填料或預型件。

B64B64飛行器；航空；宇宙航行

G01N借助于測定材料的化學或物理性質來測試分析材料

表格1 主要IPC號及相關分類解釋

本文所分析的專利均以德溫特數據庫作為檢索源，關鍵詞取復合材料+樹脂+預浸料+層壓板+纖維，并在德文特改寫的實用性字段設置為飛機，加上專利所在的IPC分類號，分類號如表格1所示，年代從1960年開始，共檢索出專利11160篇，去除同族專利之后還剩下3656篇。所有的專利分析將是針對這3656條專利進行。

2 專利申請態勢分析

對所檢索到的專利文獻進行國別統計如下：

圖1 國家分布表格

從圖1可以看出美國擁有的專利文獻數量最多，其次為日本和歐洲。可見美，日，歐三個地區是復合材料技術的主要產出地，研發較為活躍。雖然我國近年來也已經開展了航空復合材料的技術研究開發，申請了一些專利，但是相比世界發達國家，無論是專利的申請數量，還是專利的技術價值上仍然有較大的差距。

為了對專利的申請人進行分析，對專利申請人進行統計作表如下：

申請人申請件數百分比

BOEI33325.02%

TORA29021.79%

EADS27520.66%

SEKI906.76%

MITR836.24%

GENE765.71%

MITO533.98%

YOKO473.53%

FUJH453.38%

KAWJ392.93%

表格2 申請人表格

從表2分析，目前波音，歐洲宇航集團（波音的母公司），以及日本的東麗公司均在復合材料的應用研發及技術投入上有較大的力度，其中東麗公司是目前民機碳纖維的主要制造商，從其他的公司來看三菱人造絲，通用公司，富士重工等也有大量的專利申請，這與這幾家企業也與民機制造企業積極合作態勢是吻合，從前10位申請人的專利同族類型以及之前國別來看，目前復合材料的競爭還是存在于美日歐之間。我國企業在復合材料的生產制造方面還剛剛起步，和國外先進企業還差距較大，因此當前通過專利技術積極研究現先進復合材料成型技術，對成熟技術進行引進吸收再創新，不斷提升我國的復合材料技術水平起點至關重要。

3 關鍵技術現狀及典型專利分析3.1 自動鋪放技術（AFP/ATL）

自動鋪放技術是工業發達國家近30年來發展和廣泛應用的自動化制造技術，包括自動鋪帶技術和自動鋪絲技術.這兩項技術的共同優點是采用預浸料，并能實現自動化和數字化制造，高效高速.自動鋪放技術特別適用于大型復合材料結構件制造，在各類飛行器，尤其是大型飛機的結構制造中所占比重越來越大。通過德溫特數據庫，共檢索到自動鋪放技術專利345條，經過篩選排查，選出與自動鋪放技術相關專利94條，經分析可知，波音、空客、豐田、阿萊尼亞（Alliant）公司以及Cincinnatic公司均有較多的專利申請。其中主要涉及到鋪放設備、成型工藝、鋪放頭結構、鋪帶數字化控制等方面專利，從中可以看到BOEING公司涉及到的復合材料成型工藝方面的專利較多，而Alliant，Cincinnatic主要涉及鋪放裝置的設備專利、。如波音公司的圓周形狀機身的成形方法（US7503368），其引證其他專利的次數達到了138次，筆者從中判斷，該專利是一種集成度較高的再創新技術。同時波音公司還在鋪帶頭的熱固化裝置（US20080157437）， 鋪絲頭光電帶料缺陷檢測(US6799619)。以及帶有壓實鋪絲表面的裝置（US6390169），申請了相應專利。

同時其在復合材料成型的無損探測方面申請了專利（US7576850、US7039485），以及自動鋪帶機的數字化控制方法（US7643970）也有相關專利。相比其他廠商，波音公司的專利涵蓋了自動鋪放技術的硬件實現和軟件控制兩方面，已經具備了完備的專利體系。

從專利的申請時間上來看，波音公司早鋪放技術在1978年就開始申請，并在2000年后大有不斷增強此方面專利儲備的趨勢，其中一批的專利申請已經通過國際申請進入中國。這與我國大飛機項目的啟動密切相關，由于當前我國的鋪放技術設備缺乏，一些可以鋪設復雜曲面的精密鋪絲設備國外對我國實施限制進口，大部分復雜的鋪放制品仍然是采用手工鋪放的方式，鋪放效率低，這極大的制約了今后我國航空工業的發展，因此我國此方面在引進先進的鋪放設備的同時，應加大自主研發的力度，重點利用已有的專利技術開展攻關，選擇一些重點突破點發展自主產權的自動鋪放技術。

3.2 液態成型技術（LCM）

液態成型技術包括了樹脂轉移模塑（RTM），及由RTM發展出來的真空輔助成型（VARTM），樹脂模溶滲成型（RFI）等[3]。

通過專利申請分析，可知道在RTM/RFI技術領域，實力最強依然是以波音，歐洲宇航集團，同時日本的東麗公司，美國的格魯門公司均有在此領域研發活躍。當前空客公司的A380的襟翼，副翼均采用RTM工藝制造，機身后段后承壓框即是采用RFI技術成形。

空客公司在成型模具（CN101970215），波音公司在樹脂融滲工具（US7413695）均申請了相關專利，同時波音公司還將RTM工藝生產應用于泡沫夾心結構[4]的生產（US5567499A）中。

經過檢索分析，BOEING的一件有關RFI工藝的專利(US4622091A)的申請日為1986年，其引證次數達到了117篇，從引證數和申請時間，可推斷該專利為RFI方面的基礎專利，目前該專利已經失效，可以直接使用。

3.3 真空袋-熱壓罐成型技術

真空袋-熱壓罐成型法是目前國內外廣泛采用的工藝方法之一，主要用于大尺寸、外形較復雜的航空、航天熱塑性復合材料構建的制造，如蒙皮件、肋、框、各種壁板件、地板及整流罩。

熱壓罐成型的專利主要集中在共膠結、共固化技術的專利（US7575194）等。整體板加筋條成型（US7074474），機體結構（US6776371），形位控制（US7644491）等。

國外在該領域已經進行了大量的專利布局，我國應在應用該項技術時重點進行風險的防范，并在引進技術的同時，積極探索工藝的突破點，一旦形成新的成果即馬上申請專利。

3.4 拉擠成型

自上世紀8 0 年代中期始，拉擠工藝制造連續纖維增強熱塑性塑料復合材料逐漸展現出其優點。這是因為采用熱塑性復合材料可避免熱固性復合材料固有的環境友好性差、加工周期長和難以回收等不足，并且可具有更好的綜合性能，如：較強的柔韌性和抗沖擊性能、良好的抗破壞能力、損傷容限高、可補塑、可焊接、生物相容性好、可回收、成型時無需固化反應、成型速度快及可以重復利用等特點。在拉擠成型中，拉擠成型的專利共檢索出31篇，其中空客公司以及日本的JAMO公司占有較大的比例，尤其是日本JAMO公司在此領域申請了大量的專利，如將纖維熱塑性材料固化成一定弧度的結構件的工藝（US7419372），以及截面型材的熱塑性成型技術（US6601627）。

JAMO公司研發的APD(Advanced Putrudsiong) 已經直接為空客A380制造地板梁。

值得一提的是在所有專利的分析中發現一件于1989年由Tolyer教授申請的一件拉擠成型專利（US5091036），該專利提出了一種T形截面的拉擠成型技術，引證次數達到15次，可見在數量不多的拉擠成型專利中具有非常重要的作用，目前該專利已經失效，可以無償使用。

我國在拉擠成型中還未見有專利申請，鑒于目前該領域的專利申請量并不大，可以考慮加大研發力度，在研究現有專利基礎上，針對工藝流程進行改進形成專利。

3.5層壓板成型技術

層壓板是指兩種不同種類的材料，通過壓力層疊在一起的結構，層壓板的發展起源于二次世界大戰末期，由于缺乏金屬切割加工設備，通過膠結的方式連接不同材料的層壓板滿足了當時飛機的修復需求，該材料最先應用C-17運輸機的艙門以及Fokker公司的F-27飛機上，近年來一種新型的混合層壓板GLARE（鋁箔-玻璃纖維層板）也漸漸走入人們的視野，GLARE由鋁箔和單向性玻璃纖維層交疊，通過浸漬環氧粘合劑疊接而成，具有出色的抗裂紋、抗腐蝕和防火能力從而消除了許多鉚釘孔及由此引發的應力集中，GLARE已經應用于A380的機身上壁板中，GLARE除了應用機身壁板外，還有報道將替代尾翼前緣，從而改善抗鳥撞性能（DE102005060958A）。

經過檢索分析發現荷蘭AKZO NV公司1987申請的GLARE專利（NJ19872453），該專利的同族數量達到9件，被引證的次數達到了23條，從時間和引證次數上來說，該專利在GLARE技術的具有非常重要的地位，可以說是GLARE的核心專利。同時該專利已經過了20年的保護期，可以無償使用，可以應用于我國未來大飛機研制技術中。

4 總結及建議

目前我國復合材料已經在軍機上開展廣泛的應用研究，但在商用飛機中還是處于摸索階段，而作為大飛機的主體制造企業要想研制出世界先進的大飛機，則必須重視復合材料技術的應用發展進行跟蹤，積極開展專利信息分析，掌握最新的技術發展動態，在規避可能侵權風險前提下，吸收現有專利技術，提升我國復合材料應用水平。因此通過此文的分析，對我國發展大飛機大致有以下幾點發展建議：

（1）聯合現有高校，建立復合材料的“產學研”模式，并大力開展聯合攻關，探尋高校專利產業化的可能，形成自己的專利體系。

（2）研究消化吸收現有專利基礎，重點對失效的基礎專利進行剖析研究，在此借鑒重要專利的基礎上找到研發的突破點，形成一批自主關鍵技術的知識產權。

（3）加大與國外大型設備制造商的交流合作，采取引進吸收消化創新的方式，提升復合材料應用的水平。

參考文獻

[1] 程文禮，梁憲珠等.航空制造技[J].2008.24

[2] 馮軍.復合材料技術在當代飛機上的應用.航空制造技術[J].2009，22

[3] 齊燕燕，劉亞青等.新型樹脂傳遞模塑技術[J].新型化工材料，2006，34（3）

[4] 胡培.RTM工藝中的泡沫芯材[J].2003，3