復合材料先進制造技術成熟度分析

趙毅

（上海飛機設計研究院，中國 上海201210）

技術完備等級（TRL）是一種比較系統的技術成熟度評價方法,由美國NASA于20世紀90年代初提出,并被美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory)作為武器系統技術成熟度的評價方法。1999年,美國國防部開始執行TRL,并頒發TRL軍標指南草案。美國其它政府部門、機構和許多國際技術組織自美軍頒發TRL軍標指南草案后,也開始在項目管理的適用性評價工作中推廣應用TRL。

NASA按技術的發展過程將技術成熟度劃分為九級:TRL 1～TRL 9。國內外航空企業型號研制中,復合材料的應用通常采用積木式方法逐步驗證和實施。積木式方法對復合材料從試件、元件、組件、部件,直到全尺寸部件結構都需要進行嚴格考核,以避免結構超重和結構設計的風險。其遵循的層級遞進的研究方法同樣可以歸納為表1所示的9個成熟度等級。

表1 復合材料的技術成熟度TRL等級

復合材料技術成熟度達到TRL 6之前,主要以預研為主,而TRL 6以上則可進入工程化開發階段,供型號選用。一般情況下,一種新復合材料技術處于單一的TRL等級。新材料的研制并不一定要經歷所有TRL等級,但跨等級發展將增加材料研制的風險。

美國在過去的幾十年中實施了一系列的復合材料研究計劃，以解決飛機復合材料設計、制造、生產、試驗中遇到的問題。通過這些研究計劃的實施，美國實現了復合材料結構由飛機次承力結構到主承力結構中的過渡，積累了復合材料機翼、機身結構設計的經驗，確定了一系列的復合材料結構設計準則和試驗方法，解決了復合材料生產過程中遇到的諸多困難，從而大大推動了美構復合材料結構在飛機結構中的應用。這些研究成果集中的體現在Boeing-787、F-22、B-2等新一代先進飛機中。

為了解決復合材料生產制造方面存在的一些問題，進一步推動復合材料結構在飛機結構中的應用，NASA對多種復合材料制造技術進行了研究。其研究重點是纖維自動鋪放技術、編織復合材料的損傷容限設計和復合材料的液體成型工藝。此外，對復合材料的高速自動化生產技術和低成本的復合材料制造設備也進行了一些探索性研究，以解決復合材料結構的成本問題。

在復合材料制備方面，NASA蘭利研究中心重點發展熱固性和熱塑性復合材料的低成本自動生產技術；對復合材料預浸料的低成本液體成型工藝也進行了研究。

在復合材料的低成本自動制造工藝研究中，詳細的討論了纖維自動鋪放等熱塑性和熱固性復合材料材料的制造工藝。在復合材料預浸料的液體成型工藝研究中，主要討論了樹脂膜熔浸(RFI)、樹脂轉移成型(RTM)和真空輔助樹脂轉移成型(VARTM)。通過在復合材料機翼盒段結構上的應用，對用這些低成本制造方法生產的材料和結構的性能進行了鑒定。

實例1：

為了解決編織復合材料預浸料的制造問題，NASA研制出了新一代的高效縫紉設備，解決了先前的縫紉設備存在的問題，采用該設備能夠對客機機翼蒙皮結構進行快速縫紉，從而提高了結構的損傷容限和面外性能特性。研究人員采用該設備制造的蒙皮壁板結構已經應用于AST計劃中的機翼結構設計，如圖1所示。

圖1 Stitch/RFI復合材料機翼蒙皮壁板

實例2：

對于樹脂膜熔浸技術(RFI)，研發出了可重復使用的真空袋；并通過建立三維模型對材料生產過程中樹脂材料的流動性、流動路徑和滲透時間等進行了研究，明確了預浸料的緊密型和滲透性對結構性能的影響。采用RFI技術制造出了完整的機翼蒙皮壁板結構，如圖2所示。

圖2 機翼蒙皮壁板的真空袋

實例3：

對于纖維自動鋪帶技術，研究人員研制出了新的用于纖維自動鋪放的自動化設備；采用該設備可以復合材料單向層進行加熱、鋪放和剪裁等，新的鋪放設備能夠鋪設五個0.635cm寬的纖維或3.18cm寬的熱塑性或者熱固性膠體材料，并且可以繼續改進從而鋪設更窄的纖維材料，從而提高了復合材料的生產效率。

采用這種制造工藝制成的復合材料結構已經應用于Boeing-777客機的尾翼結構、F/A-18E/F的尾翼和進氣道結構和V22的部分零件結構上。

采用纖維自動鋪放技術制造出了高質量、高強度準各向同性圓柱形殼體復合材料板，圖3為復合材料殼體的照片。

圖3 復合材料圓筒

技術成熟度分析：

實例1、2、3中，應用這些新的研究成果，NASA研究人員制造了大量的典型復合材料結構，這些典型結構的制造成功，為以后復合材料結構設計、生產奠定了良好的基礎。其中的某些制造工藝已經應用于具體型號的結構制造中。

根據NASA九級技術成熟度標準，該項技術的技術成熟度為9。

［1］楊乃賓.新一代大型客機復合材料結構[J].航空學報,2008,29(3):596-604.

［2］楊乃賓.大型民機機體結構用復合材料分析[J].航空制造技術,2009(5):68-70.

［3］牛春勻.實用飛機復合材料結構設計與制造[M].北京：航空工業出版社，2010.