纖維增強樹脂基復合材料的應用與發展

趙鵬飛 (西安愛生技術集團公司)

纖維增強樹脂基復合材料在航空工業中獲得了廣泛應用，尤其在無人機方面，各種尺寸的全復合材料無人機已非常普遍。

無人機尺寸相對較小和對安全性要求相對較低，因而纖維增強樹脂基復合材料在無人機機體結構制造上的應用則更加廣泛和成熟。盡管如此，在復合材料制件制造過程中，由于環境、原材料缺陷、結構設計不合理、工藝規范要求不完整以及操作過程不當等因素會導致產品中各種缺陷的產生，而制造缺陷的存在會嚴重影響復合材料制件的性能和使用壽命，甚至還會導致制件的報廢，造成重大經濟損失。

因此，無人機復合材料構件的質量控制與保證仍需系統全面地考慮復合材料結構設計、工藝設計與制造過程涉及的各個環節。

全復合材料無人機機體結構

小型無人機由于其特有的低風險（無人）、低成本（較大飛機而言）特性以及總體尺寸較小的特點，為一些新材料、新思想、新技術提供了可以施展和驗證的平臺。因此，受適航安全條例的限制，復合材料應用于有人駕駛飛機結構時，小型無人機結構應用復合材料快速增加，并成為小型無人機的主體材料。顯然，復合材料優良的性能、顯著的減重效益及良好的成型工藝性為無人機減輕重量和降低成本提供了更大的可能性。

自20世紀60年代初無人機型號“靶”-I研制就采用玻璃鋼/復合材料設計與制造，并且其后幾乎所有型號無人機外形均采用了玻璃鋼/復合材料。西安愛生自成立以來，無人機機翼、機身部件主承力結構梁均采用碳纖維復合材料，標志著愛生公司無人機結構已進入了全復合材料時代。

無人機機體結構也隨著復合材料技術的發展而發展，初期較多采用梁式結構，其主承力件（如梁或梁緣條等）采用金屬材料，其余采用復合材料。無人機的機身主要采用梁式結構，由縱向梁凸緣、蒙皮和橫向框組成；機翼結構有多種形式，若按翼面主承力盒結構劃分，無人機機翼結構有夾層板梁式結構、夾層壁板墻式結構、全高度泡沫夾芯結構、蒙皮空腔結構和夾層盒結構等。

隨著復合材料設計技術和制造技術的發展，基于整體成型或低成本技術的飛機機體結構也逐步采用。例如無人機機翼的梁式結構應用較為普遍，有典型的雙梁多肋形式，還有適合整體成型的單梁少肋形式，因此很多采用復合材料制造的無人機機翼都采用這種形式。而無人機用復合材料構件的主要結構形式包括復合材料層壓板結構、復合材料蜂窩夾芯結構、復合材料泡沫夾芯結構、整體成型復合材料壁板、槽形和凸緣形復合材料梁、管狀復合材料狀尾撐桿，以及復合材料盒型結構等。

復合材料制造用原材料與成

形工藝的應用與發展

50多年來，復合材料的應用走過了從次承力→主承力→復雜承力整體構件的發展過程，較早地跨入了全復合材料無人機的行列。伴隨著多種無人機型號的不斷研制與批量生產，愛生公司專業技術人員積極探索復合材料專業發展途徑，開展新材料、新工藝研究，在材料應用、設計技術、成型工藝技術、工裝設計與制造技術、生產能力建設、設計與工藝規范建立和生產過程質量控制等方面均獲得了顯著的發展，已逐步形成了具有自身產品特色的復合材料專業研發與制造體系，建立了先進復合材料生產能力，滿足了項目研發與生產需要，取得了可喜的成績。

復合材料構件的力學性能和環境適應性與材料選用、結構設計以及成型工藝密切相關，下面按玻璃鋼/復合材料成型工藝方法，以及成型工裝技術來總結纖維增強樹脂基復合材料在無人機機體上應用與發展的情況。

濕法手糊成型玻璃鋼/復合材料工藝

濕法手糊成型工藝的操作和所需條件相對簡單且成本較低，但存在浸膠不均勻、樹脂含量高、纖維方向不易保證等諸多不足，因而結構的力學性能也不高。該工藝主要用于飛機機體外形、機身梁、尾翼梁、飛機整流件、發動機整流罩等的制造。自20世紀60年代初“靶”-I至2006年某型驗證機共數十個型號無人機的研制與生產均采用了該工藝方法，而且至今還用于其中多個型號無人機機體結構的批量生產中。

濕法手糊成型玻璃鋼使用由雙酚A環氧樹脂、胺類固化劑和非活性增塑劑組成的室溫固化樹脂基體，早期選用的固化劑為乙二胺，由于固化速度快、氣味大而在1980年前后被改性笨二甲胺取代，由新固化劑構成的樹脂基體在室溫下具有較長的使用期，因而較好地滿足了復雜結構飛機復合材料壁板構件制造的操作需求。

在增強材料應用方面，長時間內幾乎完全使用的是無堿平紋玻璃布，從1988年開始使用高強玻璃布、從1999年開始使用碳纖維布，而且高強玻璃纖維和碳纖維織物的品種也豐富起來，如斜紋高強玻璃布和單向碳纖維布等，從而有效地發揮了復合材料的可設計性。此外，在一些型號的機身結構中還使用了特別制備的隱身玻璃布。

無人機的生產過程中，機身和發動機整流罩的制造直接使用的是“接觸壓力成型法”，固化過程中無需加壓。機身外形多采用剛度好的玻璃鋼蜂窩夾層結構的設計形式，對此工藝上也采用了將蜂窩芯與內外蒙皮同時進行膠接的共固化工藝方法。為了保證夾層結構中蜂窩與內外蒙皮（或上下面板）之間的可靠粘接，其固化過程中需要施加一定的壓力（如真空壓力）。目前采用的工藝為 “密封袋法真空袋成型工藝”，該工藝方法是將塑料真空袋薄膜用密封膠粘接并密封到成型模具周邊形成真空袋，然后利用安裝在模具上的真空嘴進行抽真空加壓。

在某型號無人機玻璃鋼蜂窩夾層結構機頭罩的成型過程中，還采取了“加壓袋成型工藝”，是在封閉的模具中通過充氣氣囊的方式來為制件提供所需的加壓壓力；其機身玻璃鋼梁的制造采用的是“對合模具模壓成型工藝”，以保證梁構件的外形尺寸精度和因含膠量較低而更優異的力學性能。這也表明愛生公司在20世紀80年代末即在主承力結構中嘗試采用了玻璃鋼/復合材料。

全高度泡沫灌注成型工藝

1996年在某型號的機翼、尾翼研制中，為了無人機結構具有水密性的使用性能要求，設計采用了玻璃鋼蒙皮全高度泡沫夾芯填充的結構形式，為此工藝人員開發了“全高度聚氨酯泡沫灌注成型工藝”方法。具體來說，先在模具上成型玻璃鋼蒙皮，接著將梁、肋等零件裝配到蒙皮上，然后將聚氨酯泡沫灌注到帶有蒙皮和梁、肋的封閉模具中。由于機翼內部結構復雜，所以通過直接發泡方式將閉孔泡沫塑料均勻、完全填充到被梁、肋分割成為多個腔室的機翼內部成為該工藝的關鍵。

預浸料/熱壓罐或烘箱固化成型工藝

愛生公司于2003年建成了以進口熱壓罐為主要設備和標準凈化間為鋪層區的先進復合材料生產與加工條件，具備了獨立而完整的先進復合材料制造能力。

1988年即開始使用自制預浸料制造混雜纖維復合材料尾撐桿，當時制備預浸料所使用的是T300碳纖維和高強平紋玻璃布，樹脂體系為自主開發的中溫固化樹脂基體（雙酚A環氧與酚醛環氧混合樹脂/酸酐鈍化2,4-咪唑固化劑）。

而自2003年起，愛生公司擁有熱壓罐設備系統后，開始自行生產復合材料部件，并且主要材料方面也改為采用英國ACG公司生產的預浸料。而在芯材方面，除Nomex蜂窩作為夾層結構主要使用的芯材之外，在一些型號或結構中也使用聚酰亞胺（PMI）泡沫塑料夾芯材料。

因熱壓罐設備系統的投資與運行費用昂貴，因而開展先進復合材料低成本化技術的研究與應用是非常必要的。在“非熱壓罐固化成型工藝”技術（OOA）的研究方面，“預浸料/烘箱真空固化成型工藝”是發展較快、應用較成功的工藝技術。愛生公司工藝人員從2005年起就開始開展了該技術的材料選擇與工藝試驗工作，取得了可應用的相關技術，并在2013年實際應用于某型號無人機復雜結構復合材料壁板構件的制造。

復合材料成型模具技術

由于復合材料在無人機結構上應用廣，因而模具所使用的材料（金屬、非金屬及其混合體）和結構形式（陰模、陽模、對合模）也呈現出多種多樣化。

在20世紀90年代末之前，愛生公司復合材料成型模具主要是通過模線樣板法制造的，自2000年以后就幾乎完全采用數控加工技術制造復合材料成型用金屬模具，其中包括利用鋁合金板材加工而成的成型模、利用鑄鋁毛坯加工而成的成型模、薄壁鋼結構成型模等。

對于尺寸較大、結構尺寸精度要求高的整體復合材料構件，一般采用與制件熱膨脹系數相當的由預浸料制備的全復合材料成型模具進行制造，該類模具由代木類塑膠板拼制后經數控加工出的母模翻制而成。

結束語

長期以來，纖維增強樹脂基復合材料在無人機上取得了較好的應用效果，但隨著新型無人機系統對機體用先進復合材料與結構以及功能性提出的新要求，同時面對用戶的更高使用要求和監管機構對無人機產品不斷發展的控制與適航要求，愛生公司無人機結構復合材料的應用存在亟待解決的新研究課題，需要形成設計、工藝、制造更加一體化的科研機制。主要包括無人機復合材料結構強度設計規范的制定、復雜部件結構整體成型工藝、低成本制造技術、隱身特性等功能性復合材料技術的應用、機體結構復合材料制品的損傷評估與維修技術、滿足適航認證要求的復合材料構件制造全過程的質量控制等。 ■