民用飛機復合材料產品質量檢驗方法

寧莉

摘? 要：自碳纖維作為增強復合材料結構被研發出來，復合材料就迅速推廣并應用到了眾多的行業，其中在飛機制造行業中，用復合材料做機身的制作材料已經受到了越來越多人的青睞。本文將從解釋何為復合材料、民用飛機復合材料選擇的準則，以及民用飛機復合材料產品質量檢測方法進行論述，旨在為提升民用飛機復合材料產品質量提供參考。

關鍵詞：民用飛機? 復合材料? 產品質量? 驗證

中圖分類號：V25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（a）-0087-03

Civil Aircraft Composite Product Quality Inspection Method

NING Li

（AVIC Xian Aircraft Industry（Group）Co.， Ltd.， Xian，Shaanxi Province，710089 China）

Abstract： Since carbon fiber was developed as a reinforced composite material structure， composite materials have been rapidly promoted and applied to many industries. Among them， in the aircraft manufacturing industry， the use of composite materials as fuselage materials has been favored by more and more people. This article will explain what is a composite material， the criteria for the selection of composite materials for civil aircraft， and the quality inspection methods of composite materials for civil aircraft. It aims to provide references for improving the quality of composite materials for civil aircraft.

Key Words： Civil aircraft; Composite materials; Product quality;Verification

目前，在大型民用飛機A350的機翼上使用復合材料證明了我國在復合材料的理論研究與實踐方面取得了一定的成果，但是我國仍然缺乏對民用飛機復合材料產品質量檢驗方法的研究，本文在適航與行業規范要求的基礎之上，對民用飛機復合材料產品質量檢驗方法進行分析與論述。

1? 緒論

1.1 復合材料的概述

復合材料是指將擁有不同物理和化學性質的多種物質組合，進而得到一種帶有組成該種復合材料的單一材料的所有優點的多相固體類別材料。復合材料是由基體和復合體構成的，其中在復合材料中起到增強體作用的被稱為承受載荷的相，而基體是連接各個增強體，傳遞載荷的相。產品的制造程序十分繁瑣，流程較多，還包括比如重金屬融合和機電裝配等很多生產技術。目前，我國涉及民用飛機復合材料的工廠采取的多為“設計——生產”一條龍的模式。這種方式對于技術的要求十分高，而且對技術人員的技術要求也十分高，這個度很難準確把握。

一般來說，產品質量檢驗是在產品生產的主要步驟完工之后才進行的，少數情況是在復合材料的出廠之前。質量檢驗通過仔細地對產品的品質以及是否符合技術標準，檢驗每個生產環節生產出來的產品是否能夠達到有關標準。通過這種篩選機制，讓符合標準的產品才能進入到下一生產環節中去，一旦產品在中間的某一環節發現了問題，就要對有問題的產品及時地作出正確的處理。由此可見，產品的質量檢驗在產品生產過程中起到了關鍵的作用，對于產品的質量把控有著重要的意義。綜上所述，質量檢驗在民用飛機復合材料的制造流程中與產品品質的控制有著緊密的關系。

1.2 復合材料性能和制造工藝的特點

先進的復合材料是由兩種或兩種以上的材料獨立物聯合在一起的，構成的新型材料，其中的樹脂基體分散相稱為纖維增強體，兩相彼此之間具有明顯的界限，可以保持原材料的突出特點，在復合材料效應獲得的過程中材料的性能補充，彼此聯系，確保復合材料可以獲得優異的性能。

復合材料在制成中層合板時，剛度和強度可以在設計制造的過程中根據需求開展，設計師設計每層纖維的取向獲得層合板的剛度以及強度，對層間強度控制樹脂基體和界面強度，在垂直層合板之間設定載荷。先進復合材料的制造一般是采用模具熱壓固化成型的方式進行，對其中運用的制造工藝控制精度有較高的要求，復合材料對材料層中的結構進行纖維取向和鋪層形式的設計，通常使用浸漬基體樹脂的增強纖維逐層進行鋪層設計，逐層鋪貼在模具上，組裝后再進行熱壓固化形成最終的材料形狀，在基體樹脂的模具內引導材料制造的化學反應，讓結構件成型和材料的形成同時完成。共固化、二次膠接、預成形件/RTM等工藝技術形成整體的材料模塊，在運用復合材料制造民用飛機大型構件，明顯減少機械加工以及裝配的工作量，提高材料的制作精度以及裝配的費用，改善民用飛機構件的質量以及使用性能。復合材料在結構件熱壓固化成型的過程中要減少先進復合材料的熱壓固化的方式，將結構設計與結構制造幾種工藝密切結合在一起，有效控制先進的復合材料結構熱應力以及熱變形，同時形成材料的結構特點，并嚴格控制材料構件的監控，建立材料配套的缺陷，對材料的損傷情況進行檢測，嚴格按照材料的質量控制標準進行檢驗。

聚合物基復合材料進行材料制造的質量控制以及質量監督，纖維和樹脂固化體系的成分和性能的波動要對其進行監督，除了對常規地進行纖維性能的檢驗，還要控制監督纖維的表面狀態，研究纖維表面的狀態，檢測復合材料的質量生產水平。

對于復合材料所用的樹脂以及樹脂固化體系的質量進行控制的時候，除了傳統的比重測定、粘度、軟化點、水分、揮發物、凝膠溫度、環氧當量、游離酚等數據指標也要嚴格監督。基本化學性質指標的監督之外，還要控制不同類型的環氧樹脂和環氧當量，對復合材料的化學成分和化學特征進行材料標準的控制以及監督。浸料中含有固定的固化樹脂需要使用固化劑和催化劑，在存放的過程中自行固化，失去粘著性，因此要在復合材料設計以及制造的過程中對預浸料進行質量控制，檢驗材料自行固化和吸濕情況，將復合材料的化學成分以及化學特征列入材料質量標準的檢測質之中，常用的質量檢測的方法包括凝膠滲透色譜法、高壓液體色譜法、紅外光譜法、原子吸收光譜法、元素分析法、核磁共振法等等。

對復合材料的制作工藝過程進行監督，要做好工藝設施和工裝控制，在控制工序參考各類的工藝參數對工序進行檢查，對不同的性質進行控制，對工藝參數上不合格的工序進行控制，隨時檢查半成品或者進行隨爐試件，在隨爐試件中檢查質量標準，提高檢驗方法的可靠性。預浸料的制造對樹脂含量和揮發分含量可以與纖維體積含量呈現正比的關系，如果樹脂的含量成分較低，將會影響復合材料的層間剪切強度以及纖維方向的壓縮強度，之后對于浸膠膠液的濃度、粘度以及溫度、濕度的控制，質量要素之間互相控制，運用自動控制的裝置進行質量的自動條件，達到成型工藝運用以及安裝的控制。

在材料制造的過程中成型工藝包括鋪層以及固化，鋪層的過程中注意預浸料的纖維方向、拼接方法以及鋪層次序和層數，機器的鋪設動作降低人為失誤的影響。固化的過程中樹脂和纖維復合在一起，將低分子物轉化為高分子物，與纖維粘合在一起，固化的過程加強了化學反應，同時還伴隨著物理變化。固化的控制過程要控制溫度升高的速度，合理確定真空機的停止時機，進而對固化中的時間以及壓強進行合理配置。基于對成型過程的監控，有效控制和提升復合材料的制作質量。

2? 民用飛機復合材料選擇的準則

在我國CAAC和FAA等頒布的適航制度以及相應的咨詢報告中，都明確對民用飛機的復合材料架構的材料以及制作質量提出了嚴格的要求。舉個例子來說，在FAR，25.603（a）中就明文規定了要在實驗的基礎之上對組成部件的匹配性以及耐用性進行查驗，以保證其安全性。因此，在民用飛機復合材料的選擇中應當遵循以下幾項準則。

2.1 安全性準則

復合材料的選擇首先應該考慮的準則就是安全。對工序程序的檢驗、無損檢驗以及損壞性實驗是檢驗復合材料的重要組成部分。經調查研究，復合材料的抗腐蝕能力和耐磨程度比鋁合金材料高。眾所周知，復合材料的安全性與其制作工藝成正相關，在美國，復合材料的使用頻率較高，其材料制作技術的熟練程度由高到低分為10個等級，舉例來說，A321飛機的復合材料在20世紀90年代使用比例僅僅為20%，但是現在A380飛機使用復合材料的比例已經為49%。

2.2 經濟性準則

一架飛機的成本不僅僅包括收購飛機的價格，還包括飛機的燒油率、使用年限以及維修費用等眾多因素構成。空客A380之所以被國內外很多航空公司選所青睞，是因為，盡管鋁合金較復合材料更便宜，但是復合材料制成的飛機的結構重量更輕，這樣一來飛機的燃油量就會減少，很大程度上彌補了其高昂的購買價格所帶來的不利因素。

2.3 舒適性準則

一架A350飛機總重量的52%都是由一項名為超寬體A350xWB的復合材料所構成的，所以A350的客艙相較其他同樣重量的客機而言更加寬闊。這樣一來，寬敞的客艙不僅可以為乘機客戶提供更加舒適的乘機環境，還可以為飛行機組和機上的乘務人員提供更加舒適的休息艙。使用復合材料的民用飛機相較其他客機在舒適程度上來講，將會具有更大的、無可比擬的優勢。

2.4 綠色性準則

在A380飛機第一次出現在大眾視野之前，就獲得了眾多國家的追捧，獲得了數百家的訂單，也收獲了數千億美元的訂單額，這樣熱烈的市場響應和龐大的銷售量表明了使用復合材料的民用飛機有著更加良好的機身構造和發動機，它的耗油量也相對較少，更加的綠色環保，是現階段的民用飛機中燃油量最少的，這不僅要歸功于A380的發動機和飛機身體的制作材料，更重要的是其中復合材料在降低燃油量方面也發揮了不可替代的重要作用。

3? 質量檢驗方法在民用飛機復合材料中的重要作用

3.1 質量檢測在民用飛機復合材料的設計階段中的作用

設計是民用飛機復合材料制造中的一個重要環節。質量檢驗是指對產品設計進行查驗，并不斷健全管理制度的過程。質量檢測在產品的設計階段起著重要的作用：第一，質量檢測可以明確各個部門的工作方式、每一名工作人員的工作責任。第二，質量檢測可以從民用飛機復合材料的角度出發，制定出關于產品生產的風險和設計標準等方面的具體要求。第三，質量檢測先通過對產品的設計方案進行風險預測，從而對相關民用飛機復合材料的未來市場進行預估，量化結果，并以此為基礎，進行分析，形成更加專業的分析成果，從而保證后續試驗報告中的數據精準、無誤。第四，產品設計檢測報告要在國家規定的檢測機構中進行，以保證產品設計不僅能夠滿足市場需求，還要符合我國的相關政策與標準。

3.2 質量檢測在購買產品原材料階段中的作用

購買產品的原材料是民用飛機的復合材料的生產環節中必不可少的。購買的原材料不僅局限于標準件，還包括很多以技術協議為標準的外協借工產品的零部件。所以，質量檢測在購買的原材料的質量方面是起著“過濾網”的作用。它通過嚴格的標準和審批流程，能夠有效保證產品原材料的質量，對供應商進行有效篩選，并擇優選擇最佳的供應商，達到雙贏。

3.3 質量檢測在產品生產過程中的作用

在產品生產中，如果想有效避免生產資源的過度浪費和生產效率過低，增加產品的生產成本，那么就要將產品的生產過程和檢測過程有機地結合起來。就民用飛機的復合材料生產過程而言，需要投入很多的時間和金錢，這樣不僅會造成時間損失還會造成嚴重的經濟上的損失。所以，通過質量檢測能夠有效地對設計產品的制作流程進行科學合理的調整和高效的管理。通過隨時隨地對產品生產中的各個環節進行數據提取、收集、分析，從而更加及時地核對生產參數，對產品生產中出現的誤差進行調整，把控產品質量。例如，對選取的飛機壁板試片進行查驗時，我們除了可以利用顯微拍照的方式，還需要根據壁板的主要失敗模式規劃進行力學實驗，并將實驗結果同測試的標準規定進行比對。

4? 結語

隨著我國社會科學技術的不斷發展，新型復合材料在民用飛機制造業得到了越來越廣泛的應用。現階段我國的民航事業仍處于起步的階段，相信在未來，復合材料會扮演更加重要的角色，成為我國航空發展的重要一環。探索民用飛機復合材料產品質量的驗證方法，無論是對于提升復合材料產品質量還是對于在國內推廣民用飛機復合材料的主承力結構質量保證和適航認證都具有極其重要的意義。

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