先進復合材料成型技術在交通運輸裝備領域的發展應用

張麗嬌

1 背景

《中國制造2025》對新材料和新工藝提出了明確要求，對于制約我國制造業發展的瓶頸和薄弱環節，應加快轉型升級和提質增效，切實提高制造業的核心競爭力和可持續發展能力。低成本、高效率、自動化生產線是提高我國制造業國際競爭力和市場占有率的核心要素。新興材料作為先導性基礎產業，是高端制造及國防工業等的關鍵保障。

近十年來，先進復合材料發展趨勢迅猛，歐盟美國和日本相繼發布支撐計劃或戰略，如《“地平線2020”計劃》《美國國家創新戰略》《科學技術創新綜合戰略》中都將新材料的研究與應用作為重要發展方向，先進復合材料的發展在歐美等發達國家得到了充分的戰略性和政策性支持。新材料代表一個國家基礎的科學技術實力，因此，提升新材料的基礎支撐能力，實現從“材料大國”到“材料強國”的轉變，是我國新材料產業發展的核心目標。《國家“十三五”戰略性新興產業發展規劃》《中國制造2025》等都對加快新材料產業的發展提出具體思路和對策，而新材料產業的發展一直伴隨著新工藝的出現和應用而發展。先進復合材料在產品型號的使用率方面，一定程度上代表著該型號產品的技術先進性。

隨著我國“一帶一路”倡議的提出，軌道交通事業面臨新的機遇與挑戰，交通運輸設備的輕量化在整個我國制造業的升級中占有重要地位，急需新材料和新工藝的技術支撐。軌道交通載體、汽車及飛機的輕量化產業發展迫在眉睫。其中，中國中車在“引領全球軌道交通裝備行業發展”目標的導向下，其主機廠如中車青島四方機車車輛股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司、中車唐山機車車輛有限公司等已經開展了軌道交通車輛設備艙、車體、司機室、轉向架等碳纖維復合材料化的相關研制，共同推進軌道交通裝備的輕量化進程，已取得較大成效。但是，高性能纖維增強樹脂基復合材料等先進材料在軌道交通裝備領域的應用仍處于研制階段，還需要更多的試驗驗證及進一步的深度研究。

我國在《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中提出，將大型飛機（民用飛機）定位于“未來15年力爭取得突破的16個重大科技專項”之一，并于2007年，由溫家寶總理批準了大型飛機研制重大科技專項。因此，先進復合材料在飛機總體材料中的應用比例將直接影響國產大飛機的市場競爭力。在大飛機上應用大量的復合材料，自然要面臨成本高昂的問題。因此，低成本、高效率、自動化成型技術是復合材料研究領域的核心問題。國外自動化技術有利于提高復合材料化的效率并降低成本，但是因為國外的技術封鎖，我國只能對其進行巨大的人才、設備及經費投入，來滿足低成本復合材料技術需要。目前，降低復合材料應用的成本主要是原材料及后期的工藝及維護，原材料成本僅占20%，可見，復合材料設計制造技術的低成本化迫在眉睫。降低大型復合材料制件制造成本的技術途徑主要為高效率、自動化的成型技術，如自動鋪放技術、長大型材復雜截面拉擠成型技術、網格纏繞成型以及液體成型等低成本工藝成型技術。

2 低成本、高效率及自動化復合材料成型技術

低成本、高效率及自動化復合材料成型技術的發展及工程化應用是高性能復合材料應用于軌道交通裝備產業化的關鍵。現在航空、汽車、輪船及軌道交通探討較多的低成本、高效率及自動化的復合材料成型技術主要有4種：包括自動鋪放技術、長大型材拉擠技術及網格纏繞整體成型技術和液體成型技術。

2.1 復合材料自動鋪放技術

自動鋪放技術不同于傳統的手工鋪覆，通過程序設定精確控制增料加工模式減少了拼裝零件的數量，節約制造、裝配和加工成本，能夠更充分地利用材料，提高材料的利用率，降低材料廢品率，提高加工效率。該技術適用于大尺寸和復雜構件，是高效、低成本制造的重要解決方案。

自動鋪放技術主要有2種形式：自動鋪絲和自動鋪帶。自動鋪絲技術（Automated Fiber Placement，AFP）能夠將多條窄帶纖維束或同時鋪放在一個模具上，纖維絲束數量為12～32根，纖維絲束寬度分布為1/2～1/8英寸，多用于成型制造較小曲率的構件，自動鋪絲技術可在多坐標自動鋪絲機的控制下，鋪絲頭按照計算機計算得出的軌跡進行自動化鋪層過程，通過放卷、導向、傳輸、壓緊、切割、輥壓等步驟最終完成制件的預制過程。在這個過程中，通過單獨控制預浸絲束來完成整個的鋪放成型過程，且在過程中可以進行絲束的增減及小曲率轉角的鋪放，能夠適用于多種曲面制件的成型，包括一些含有尖銳曲率結構的構件，可實現全角度正負曲率結構的加工。如加入開口設計、局部補強的變厚度制件加工，可實現更小的纖維角度偏差，達到更高的生產效率。

未來復合材料制造技術發展的必然趨勢應該是更加自動化，自動鋪絲技術將是重要的發展方向，代表著前沿的成型自動化技術。就自動鋪絲技術本身而言，主要發展方向就是高速及高生產力鋪放及多鋪放頭集成復合鋪放、結合工業機器人及大數據等形成智能、自動鋪放等方向發展。而自動鋪帶技術（Automated Tape Layer，ATL）是將寬度為150mm和300 mm的纖維帶子展開，鋪放在模具上，一般只能用于相對平坦或小曲率的工件的鋪放。

目前，法國的Forest—Line和Coriolis公司，美國的Electro Impact、MAG Cincinnati、In—gersoll公司、西班牙的M—Torres公司在自動鋪絲鋪帶技術上發展的較為迅猛。由于鋪絲材料的寬度一般為3.175mm、6.35mm和12.7mm，Solvay公司和Hexcel公司采用美國獨立機械公司分切設備分切寬帶。在自動鋪絲技術的發展趨勢下，國內也開展了大量自動鋪放技術，主要進行了預浸料絲束相關研究。現在應用較多的自動鋪絲材料主要是來自東麗（Toray）公司的3900材料和赫氏（Hexcel）公司的M21E預浸料絲束。這2種材料通過自動鋪絲+熱壓罐技術已應用于B787和A350XWB的機翼和機身等零部件制造中，但是成本高昂，自動鋪絲+低成本的非熱壓罐技術成為各大材料供應商、零部件制造商及設備供應商重點研制目標。目前，飛機零件上還沒有應用低成本液體成型的干纖維絲束，較成熟的干纖維絲束主要有Hexcel公司的Hi Tape和Solvay公司的TX1100，相關研究表明液體成型樹脂+干纖維大絲束技術可以達到預浸料鋪絲+熱壓罐成型制件相當的力學性能。Hexcel的HiTape型號干纖維絲束專門為非熱壓罐成型技術設計，可適應干纖維的自動鋪放工藝，配合Hex Flow樹脂，零件厚度最高可達30mm，纖維體積含量可高達58%～60%。

在現有復合材料成型技術應用大型寬體客機制造的主要為自動鋪放技術及纏繞成型技術。其中，自動鋪放技術具有良好的結構適應性，可以鋪放大型復合材料構件。隨著自動鋪放工藝的日益發展及與非熱壓成型的成熟應用，對于軌道交通及汽車及大型輪船的復合材料化部件成型也具有重要的借鑒意義。

2.2 復合材料復雜截面長大型材拉擠技術

拉擠成型工藝可通俗理解為復合材料通過模具中化學反應預成型再通過牽引力的作用做直線運動形成成品的一個過程。拉擠成型是的主要特點是：高效率、生產連續和自動化。拉擠成型產品特點：恒定截面、長度尺寸可控。

常規的非連續纖維的復合材料拉擠成型技術早有應用，而根據受力形式確定連續纖維布局的復雜截面拉擠技術具有較高的技術含量。工藝設計前期的受力分析、仿真分析及纖維絲束布局及預成型模具設計為此技術的核心，而采用的快速固化樹脂的工藝控制以及拉擠速率控制為此技術的關鍵。復合材料的拉擠成型是將浸漬了樹脂膠液的連續纖維，通過成型模具，在模腔內加熱固化成型，在牽引機拉力作用下，連續拉拔出型材制品。其工藝流程圖如圖1。

拉擠成型工藝原理主要工藝步驟包括纖維輸送、纖維浸漬、成型與固化、夾持與拉拔、切割。碳纖維從紗架引出，經過分紗板進入樹脂槽中浸膠，然后進入預成型模，排除多余樹脂，并在壓實過程中排除氣泡，再進入成型模，碳纖維和樹脂在成型模中被擠壓拉拔成型固化，最后經牽引切割成制品。在成型時，樹脂應充分浸透纖維，通過近似截面形狀預成型模，然后在成型模中固化成型。熱固性樹脂在成型過程中經歷了粘度降低、熱膨脹、凝膠固化、固化收縮幾個階段。該工藝適用于制造各種不同截面形狀的管、棒、角形、工字形、槽型、板材以及復雜截面結構型材。

風電企業已經大規模應用了復合材料先進拉擠技術，取得很好的成效。中德軌道聯合技術研發中心（以下簡稱“中德軌道”）現已完全掌握了先進的連續碳纖維復合材料長大型材（多向增強、多腔斷面）拉擠技術，可制備由連續碳纖維增強復合材料組成的厚壁結構型材（單向或多向），具備設計及批產能力。2018年，中德軌道與中車四方股份公司合作研制了用于下一代地鐵車體、設備艙的邊梁制作，長度11～20m，一次成型完成。減重效果達30%及以上，力學性能優于原有鋁合金型材。典型復雜截面形狀如圖2。

先進拉擠技術是一種復合材料低成本自動化制造技術，具有高效、自動化、制品長度可控、低制品孔隙率、易于二次膠接等優點；做為一種用于復合材料制造的成型技術，高強纖維的先進拉擠技術現在已經成功應用于空客A350、A380等大型飛機構件的制造上以及風電葉片的成型加工中。根據軌道交通車輛特點及復合材料的典型優勢，采用拉擠工藝制備復合材料長大型材替代原有軌道交通車輛用鋁合金型材是實現復合材料在軌道交通車輛方向用量提升的重大突破，是實現我國制造業升級的初步探索。新材料及新工藝支撐新產業，復合材料在軌道交通上的應用離不開新工藝的不斷探索與開發。

2.3 復合材料網格纏繞整體成型技術

復合材料網格纏繞技術最早起源于俄羅斯，俄羅斯特種機械研究所是俄羅斯最早開展復合材料網格結構設計與成型的研究單位，也是世界上復合材料網格纏繞技術的先驅，在國際復合材料界享有盛譽。復合材料的網格結構主要有圓柱狀網格結構、圓錐狀網格結構及平板狀的網格結構3種外形結構，復合材料網格結構制件可以做成帶蒙皮和不帶蒙皮2種，按照筋條不同的幾何形式又分為三角形網格、斜置正交網格和正置網格正交。復合材料的網格纏繞結構成型發需要編制纏繞程序控制纏繞的方向和角度直接在網格凹槽中進行纏繞，需要制造對應的網格模具，可以實現高度自動化和批量化生產，且制品的穩定性較好，屬于低成本的成型工藝方式。

目前，俄羅斯特種機械研究所的網格結構設計和纏繞成型技術已經發展到第3代，即各向異性網格纏繞技術具有較高的技術成熟度，已經完成適配器、太空艙、薄壁梁等多種成熟產品的批量生產（見圖3）。

各向異性網格纏繞結構（成型工藝及設備見圖4）主要由網格結構承載。蒙皮滿足功能特性，與傳統的復合材料層合板、夾芯結構具有本質區別，該結構具有更高的比強度和比剛度、設計靈活、結構穩定性和可靠性強、損傷容限高、自動化、低成本等優勢，是當下航空航天界關注和研究的熱點，必將對復合材料在其他領域的應用產生深遠的影響。對于軌道交通裝備而言，該技術更有望實現輕質、節能、低成本、高效率的目標，是加速實現復合材料在軌道交通領域規模化應用的關鍵技術手段。

2.4 復合材料網格液體整體成型技術

液體成型技術是指通過預制干態纖維織物的預成型體，通過樹脂導入的方式與干纖維預成型體進行浸潤，最終固化成型的一種成型工藝方式，主要包括樹脂傳遞模塑（RTM）、真空輔助成型（VARI）及樹脂膜滲透成型（RFI）等多種工藝形式，主要結合三維編織，二維編織加縫合等多種方式進行預成型體的編制，并設計合理的成型模具，確定最優化的樹脂導入的溫度、壓力等工藝參數來實現。液體成型工藝一般采用固化爐或自加熱模具、輻射固化模具等非熱壓成型的固化方式，節省了因熱壓罐成型產生的巨大能量消耗和設備費用投入。因為，對于飛機、軌道交通等交通領域裝備而言，生產成本的控制直接關乎到企業的生存與發展，裝備制造的低成本化尤為重要。

液體整體成型工藝可以提高產品的成品率，工藝穩定性較高，能夠通過參數的優化，提高復合材料制品的損傷容限。液體成型工藝的發展不開樹脂基體與纖維的浸潤機理研究和樹脂體系本身工藝性能的提高，需要樹脂體系開發與纖維浸潤匹配性研究的支撐。在交通裝備的輕量化設計的同時需要控制工藝的穩定性和成本并且具有較高的效率，因此，液體成型技術提質增效降成本的發展趨勢，發展液體成型技術也成為交通裝備輕量化的重要解決方案。

3 低成本技術發展前景與展望

我國是人口大國，地域典型特點明顯，環境問題突出，交通運輸裝備的快速、綠色、節能、高效是可持續發展的重要目標。因此交通運輸裝備領域對輕量化的要求較為迫切，輕量化的解決方案除了從結構設計上繼續進行優化之外還需要配合新材料、新工藝的應用，而真正批量化的應用主要取決于技術的成熟度及工藝的穩定性，而低成本也是批量化需要考慮的重要因素之一。

新材料主要是采用先進的復合材料，如采用復合材料以及高性能金屬材料，同時通過合理的、優化的復合結構設計可以實現最后的輕量化設計與降成本的雙重目標。因此，實現交通領域的輕量化目標應主要從4方面進行：①發展自動化、低成本復合材料設計及制造工藝；②發展輕量化復合結構設計技術；③建立交通裝備領域輕量化發展進程，形成頂層規劃；④建立交通裝備領域指標及標準化體系。