高端復合材料制造裝備應用及發(fā)展

王靜 蔡清華 馮雅麗

摘 要：近年來，隨著復合材料在航空在航空、航天、造船、汽車和風電等工業(yè)領域的高度重視，先進復合材料制造裝備顯的尤為重要，其水平從一個方面反映了國家制造裝備的整體水平。本文介紹了當前復合材料制造工藝、主要設備及其應用情況，并對國內外先進復合材料制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀及前景進行分析。

關鍵詞：復合材料；制造裝備；應用；發(fā)展趨勢

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。先進復合材料自問世以來，由于其輕質、高強、耐疲勞、耐

腐蝕等諸多優(yōu)勢，在航空、航天、造船、汽車和風電等工業(yè)領域得到高度重視，而且這種趨勢仍在繼續(xù)。如圖1所示。先進復合材料應用于飛機結構中可減重20%～30%，因此復合材料在軍民用飛機上的用量逐年增加，大型飛機尤為突出（A380用

60.5噸、占25%，787用25噸、占50%）。且其裝機應用水平已成為現(xiàn)代航空裝備先進性的標志。

圖1 國外飛機的復合材料用量年譜

先進復合材料最近10年在航空航天、汽車、船舶、風電上井噴式的應用，已經證明了先進復合材料在未來航空航天、汽車、船舶、風電等領域的重要地位。先進復合材料制造裝備顯的尤為重要，自動化制造、檢測裝備可增加復合材料用量、提高制造技術水平、保證產品質量和降低成本的關鍵，是武器裝備用復合材料構件快速研制與大批量穩(wěn)定生產、實現(xiàn)敏捷制造的必由之路。

一、復合材料制造工藝及主要設備

先進復合材料裝備是重要的基礎制造裝備之一，其水平從一個方面反映了國家制造裝備的整體水平。目前，復合材料裝備制造技術已發(fā)展成為集材料、冶金、結構、力學、電子等多學科為一體的先進技術。

復合材料制造裝備工藝及檢測方法主要有：手動鋪層、預浸料和預制體成型、纖維纏繞成型、自動鋪帶（ATL）、自動絲束鋪放、熱壓罐固化成型、三維縫合成型、復合材料液體成型、隔膜成型、復合材料制件加工及裝配、復合材料自動化無損檢測等。

與復合材料制造裝備工藝及檢測方法相對應的制造裝備主要有：預浸料制造裝備、預浸料自動裁剪設備、預制體成型裝備（如圖2所示）、纖維纏繞成型設備、自動鋪帶、自動鋪絲機（如圖3所示）、熱壓罐成型裝備、三維縫合成型裝備（如圖4所示）、復合材料液體成型裝備、隔膜成型裝備、機器人制孔系統(tǒng)、自動鉆鉚設備、超高壓水切割設備、超聲C掃描檢測系統(tǒng)等。

圖2 國外預制體成型裝備

圖3 Viper6000大型ATP機，代表了當今自動絲束鋪放最高水平

圖4 美國研制三維縫合成型裝備

二、復合材料制造檢測裝備的應用

復合材料制造檢測裝備在航空航天、汽車、船舶及風電等領域的應用之處如下：

（一）預浸料制造裝備、預浸料自動裁剪設備、纖維纏繞成型設備、自動鋪帶機、自動鋪絲機。適用于各種復雜零部件的成型制造，例如航空航天器中采用復合材料的垂尾、腹鰭、空中受油飛機的S型受油管；直升機機身結構件（尤其是大開口構件）、縱列式重型直升機協(xié)調軸；輕型飛機機身；S型進氣道、發(fā)動機機匣；大開口衛(wèi)星承力筒、構架式衛(wèi)星構架節(jié)點接頭、大型運載火箭殼體、帶裙固體火箭發(fā)動機以及民用氧氣瓶、壓力容器等復雜型面零件。汽車結構件、功能件、覆蓋件的成型制造。船用螺旋槳、船體部件的成型制造。風電領域大葉片的成型制造。

（二）熱壓罐成型裝備。熱壓罐可用于金屬/非金屬膠接構件和樹脂基高強度玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維等復合材料制品。如飛機艙門、整流罩、機載雷達罩，支架、機翼、尾翼等，汽車結構件、功能件、覆蓋件；船用螺旋槳、風電領域大葉片等。

（三）三維縫合成型裝備。適用于各種復雜零部件的預成型制造，例如航空航天器中采用復合材料的垂尾、腹鰭、空中受油飛機的S型受油管；直升機機身結構件（尤其是大開口構件）、縱列式重型直升機協(xié)調軸；輕型飛機機身；S型進氣道、發(fā)動機機匣；大開口衛(wèi)星承力筒、構架式衛(wèi)星構架節(jié)點接頭、大型運載火箭殼體、帶裙固體火箭發(fā)動機以及民用氧氣瓶、壓力容器等復雜型面零件。汽車結構件、功能件、覆蓋件的預成型制造。船用螺旋槳、船體部件的預成型制造。風電領域大葉片的預成型制造。

（四）機器人制孔系統(tǒng)、自動鉆鉚設備。可用于飛機的機翼、機身、艙口、尾翼及機身的加工及連接。

（五）超高壓水切割設備。可用于飛機制造中的復合材料壁板切割的切割。

（六）超聲C掃描檢測系統(tǒng)。航空航天、汽車、船舶和風電領域中采用復合材料制作的構件（尤其是大型復雜曲面）進行檢測。

三、國內外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在國外，復合材料制造、檢測裝備已經達到實用階段，如美國辛辛那提機床公司Viper6000大型ATP機，代表了當今自動絲束鋪放最高水平。德國凱爾曼特種機械制造有限公司是世界上唯一生產復材縫合設備的制造公司，擁有多項專利技術，也是目前世界航空航天工業(yè)領域復材縫合加工設備市場占有率高達95%以上的企業(yè)。世界各大航空企業(yè)都是凱爾曼的客戶，從歐洲的空中客車公司，歐洲直升機公司，美國的波音飛機公司到中國的哈爾濱飛機制造集團，北京的航空制造工程研究所都是他們的客戶，都應用凱爾曼的設備生產最先進的復材輕型節(jié)能飛機。意大利特魯茲公司的熱壓罐已經被用于歐洲阿麗亞娜火箭和空客A380，A320，A316和A400M軍用運輸機的復合材料部件制造，迄今特魯茲已為用戶提供600多套熱壓罐，并已進軍中國。

目前，國內復合材料低成本產業(yè)起步較晚，技術水平較低，特別是高端的航空航天產品的低成本制造，目前僅停留在實驗階段，這也從一個側面反映出我國復合材料產業(yè)的總體現(xiàn)狀和水平。雖然復合材料加工的中小型民營企業(yè)數(shù)量巨大，但都普遍存在諸如生產工藝落后，產品多為來樣加工，缺乏自主設計能力，無嚴格的質量檢驗體系，生產過程對空氣污染嚴重，生產環(huán)境惡劣，工人缺乏必要的防護服等著一系列的問題。國內主機場、航空發(fā)動機廠商使用復合材料制造、檢測裝備全部靠國外進口，成本相當昂貴。

四、前景分析

在航空航天和國防工業(yè)領域中，航空材料專家曹春曉院士指出：50%復合材料是新型飛機復合材料用量的起點，飛機用材料正由鋁合金時代進入復合材料時代。中國商用飛機有限責任公司專家咨詢組2008年9月10日的咨詢報告指出：“復合材料應用是當代大型民機的一項關鍵技術，大量使用復合材料是減輕結構重量、提高結構效率，提高民用飛機的經濟性、舒適性，體現(xiàn)先進性的重要舉措。”我國大型客機C919基本型的復合材料設計用量2014年為15%、2016年達到23%，接近A380復合材料用量25%的水平。

在汽車領域中，隨著汽車復合材料應用水平的不斷提高，復合材料單車用量將逐漸增加。2010年我國汽車工業(yè)所需塑料、復合材料總量約為72.2萬噸，2015年將達到150-180萬噸。隨著成形技術與裝備的不斷發(fā)展，復合材料汽車零部件在汽車領域的應用將日益擴大。

在船舶領域中，到目前為止，大中型船艇的船體和上層建筑等多采用玻璃鋼制造，而高性能船舶，如軍艦等也開始逐漸采用先進復合材料進行生產和制造。船舶上使用復合材料的比例逐漸升高，制造的復合材料船舶也越來越大，并且力學性能要求比較高的螺旋槳也開始采用復合材料制造，復合材料在船舶與海洋行業(yè)的發(fā)展趨勢正在不斷的加速。

在風電領域中，隨著風機容量增加，葉片長度不斷增大，同時對葉片的制造技術及葉片的材料會提出新的更高要求，比如，隨著葉片長度的增加，高性能碳纖維的用量會越來越多。風電行業(yè)上的應用，風機正在向著大型化發(fā)展，相應地對葉片材料也提出了更高的要求，復合材料高比強度、高比剛度特性滿足了風機葉片對強度和剛度的要求。風機的用材也正由玻璃鋼向碳纖維復合材料或混合復合材料轉變，風電行業(yè)的快速發(fā)展，對復合材料的需求也會越來越大。

五、結束語

先進復合材料在航空航天、汽車、船舶、風電上井噴式的應用，已經證明了先進復合材料在未來航空航天、汽車、船舶、風電等領域的重要地位。先進復合材料制造裝備可保證材料的用量、制造技術水平、產品質量和降低成本，先進復合材料制造裝備的重要性不可忽視。

目前，復合材料制造裝備，在國外，已經達到實用階段；在國內僅停留在實驗階段。國內幾乎所有的復合材料制造裝備全部為進口。所以緊跟國際最新發(fā)展趨勢，成為達到國內領先、國際一流技術水平的復合材料制造裝備，最大限度的推動航空、航天、汽車、船舶、風電等制造業(yè)發(fā)展，提升國家綜合實力。

參考文獻：

[1] 杜善義.先進復合材料與航空航天[J].復合材料學報，2007，（1）.