飛行器結構用復合材料制造技術與工藝理論進展

唐博 許建政 李金柏 孫嘉明 孫野

摘要：復合框架結構的制造生產工藝是復合應用及結構設計促成的關鍵。由于復合材料制造技術的特殊性和復雜性以及它具有結構可設計性，可進行復合結構設計，它已成為結構可靠性、產品質量和成本控制的核心技術。近些年來，隨著先進復合在航天航空領域的廣泛應用，復合的制造技術設備及生產工藝方法論獲得了極大的發展。圍繞復合材料的平面結構與制造技術，本文介紹了國內外先進復合材料制造技術的概念和技術研究進展，幫助我國航空航天工業應迅速提高自身的水平。

關鍵詞：格柵結構 復合材料 航天 制造 點陣結構

隨著現代社會飛機性能的不斷提高，復合材料的發展越來越受到重視。復合是應由兩種或者兩種以上物理、物理性質不同的建筑材料組分，以所設計的模式、比重、分布組合而成，各個組分間有顯著的用戶界面存有的一種新型材料。它們一般應由基體建筑材料及加強建筑材料組成。可進行復合材料的設計，即通過原材料的選擇、各構件設計的分配以及工藝條件的保證，使原有構件材料的優勢相輔相成，從而展現出優異的綜合性能。

隨著玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等復合材料的發展，復合結構的早期應用預示著復合材料的輝煌應用。尤其是在飛行器制造中在飛機翼尖、雷達防護罩和尾錐上使用少量玻璃纖維增強塑料，這標志著復合材料在飛機設計中的重新發明。從那時起，復合材料在飛機中應用的比例越來越大。在過去的幾年里，先進的復合材料技術已被應用于大型結構，如翼板和樓板梁。由于其比強度高、比剛度高、可設計性強、耐腐蝕、易大面積整體成形、抗疲勞性能好等優點，在飛行器制造中得到了越來越廣泛的應用。

1. 高級復合網格結構。網格結構的明顯特點是：網格骨架可以由連續的、短距離的纖維束（帶）組成，充分發揮了纖維的定向承載能力;網格骨架整體性好，能滿足結構不同部位的設計要求。復合灰結構是一個加強板或殼（圓柱形或錐形）的鰣魚（正方形，菱形，或三角形）與緊湊的鰣魚框架。由于網格間距小，網格框架看起來像網，所以又稱加筋網格結構。該材料為連續纖維與有機材料的復合材料。特別是局部缺陷靈敏度小，一般不發生層壓微裂紋是常見的，現在，每個等距剖面胞體都是一個靜定結構幾何不變的靜不定結構（方晶格、菱形晶格），即使局部失效，圖像周圍大的網格框架仍然沒有改變結果的幾何結構，因此具有良好的抗槍傷能力由于它具有超輕質、高比強度、高比剛度、高能量吸收等優良機械性能， 及減震、散熱、吸聲、傳感器屏蔽等等特殊屬性，成為了一種炙手可熱的使用性能優異的多功能性工程項目建筑材料框架結構.

2. 點陣夾層框架結構。點陣夾芯框架結構是近些年來隨著建筑材料制得生產工藝及成形加工技術設備的發展而是發生的一類新型多功能建筑材料框架結構， 它由2塊面板和夾于面板之間的超靜定的點陣夾芯構成， 由于它具有超輕質、高比強度、高比剛度、高能量吸收等優良機械性能， 及減震、散熱、吸聲、傳感器屏蔽等等特殊屬性，成為了一種炙手可熱的使用性能優異的多功能性工程項目建筑材料框架結構。如果可以用復合材料來制備晶格夾層結構將會大大減輕結構的重量，提高結構的性能。現階段，各種構型的復合夾芯框架結構在航天航空領域獲得了廣泛的應用。

3.聚合物基復合材料主要是樹脂基復合材料。摘要樹脂基復合材料以其優異的力學性能和減重效果在現代航空航天領域得到了廣泛的認可。實踐表明，飛機部件通常采用樹脂復合材料制成

4.從目前的發展現狀來看，纖維增強金屬基復合材料（MMC）和顆粒增強金屬基復合材料是人們關注的焦點。金屬基復合材料的增強纖維主要包括金屬纖維和陶瓷纖維。利用碳纖維作為增強材料是近年來一個新的研究方向。MMCs問世至今已有40余年，因為具備低的比硬度、比模量、耐高溫、耐磨損及熱膨脹系數少、構件穩定性難等等優異的力學性能及性能，消除了樹脂基復合在宇航領域中選用時候存有的優點，獲得了舉世矚目的發展，成為各國高技術研討開發的重要領域。用于航空軸承零件，重量比傳統復合材料輕;特別適用于高溫航空發動機。樹脂基復合材料在航空航天工程中的發展趨勢體朝著高性能的方向發展，以追求高減重效率為目標。并且先進低成本制造技術的研究制約了復合材料的擴展和應用。

在飛行器制造技術方面

1. RH T工藝是一種樹脂膜浸漬和纖維預制樹脂浸漬工藝。成型工藝是將樹脂制備成樹脂膜或較厚的樹脂塊，放置于模具底部，其E層由縫線覆蓋或三維編織成纖維預制件。然后根據真空成型工藝要點，在熱環境中封裝腔體，采用真空技術從下至上抽吸樹脂。當薄膜受熱時，黏度沿預制件下降或上升，填滿整個預制件空間，然后按固化工藝制備復合材料。

2：纖維纏繞形式屬于比較成熟的技術，其中纖維叢脂樹浸漬紡錘機械設備到外部整個過程都是采用織造和纏繞的方法，這種方法的廣泛應用屬于復合材料的自動化技術。其纏繞產品強度高、重量輕、隔熱性能強、耐腐蝕，實際工藝也很好，一般用于中空、圓形、橢圓形零件。

3.縫合技術：縫合技術主要是利用縫合機將纖維織物的不同部位充分連接起來，進行多次固化，從而生產紡織材料。

4. 縱向強化技術可以生產出性能較好的三維增強復合材料。該技術是通過在固化前或固化期間將銷釘連接到層壓板上來制造材料。縱向強化提高了材料的強度和韌性，通常與拼接結合，使材料的抗斷裂性提高到下一個水平。

5. 三維異形整體織造：三維異形整體織造是一種比較完善的技術，可用于復合材料和纖維織物復合材料的制造。三維異形整體編織生產的產品高性能，滿足機械要求，具有較高的檔次，能有效解決常規的泄漏和連接問題。

綜上所述，航空復合材料零部件的制造技術水平將直接影響我國航天工業的發展。與發達國家相比，我國復合制造技術設備也存有一定的不足，因而，為了提升制造水平，要積極吸收國外精華，不斷創新，放眼世界，加強技術研究，進一步提升航空產品的競爭力，使我國航空復合材料制造水平邁向一個新的臺階。

相關文獻

[1]徐元銘，黃英蘭，萬青. 先進復合材料格柵結構制造工藝技術的研究進展[J]. 飛機設計，2007，27（6）：33-37，55. DOI：10.3969/j.issn.1673-4599.2007.06.008.

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