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    大型飞机复合材料结构相关成型工艺方法评述
    来源:制空制造技术杂志社  发布时间:2008-11-3  阅读:13355 次
     

    成型工艺方法是大型飞机复合材料结构研发需要面对的主要技术问题之一。对于具体的结构目标,成型工艺方法的选择将直接影响复合材料的应用效益。

    大型飞机是我国航空工业当前的发展目标之一。复合材料(这里主要指树脂基复合材料)在大型飞机结构上的应用则是此发展过程必然涉及的重要技术。复合材料在航空结构上应用的基本出发点在于用其突出的比刚度和比强度特点来实现给定的减重目标,从而提高飞机性能。近10多年来,随着原材料技术和结构应用技术的发展,除减重之外,复合材料也为实现更低的成本耗费提供了可能的途径,这成为复合材料在大型民用飞机上用量突飞猛进的重要动力。

    我国在大型飞机复合材料结构应用方面尚无工程经验。这方面工作现有的技术资源包括2个方面:(1)国内在非大型飞机复合材料结构研发过程中积累的设计和工艺的数据、规范、方法;(2)国外公开的大型飞机复合材料结构研发资料。前者的重要性是显而易见的。与非大型飞机相比,大型飞机复合材料结构要素存在众多共通之处,制造过程亦无需大量飞跃性的工艺变革作为必要前提。但另一方面,大型飞机结构毕竟存在其固有特点,这些特点会为结构的制造过程带来前所未有的问题。国外的复合材料结构研发资料对于国内大型飞机研发工作具有重要的参考价值,但从宏观应用策略看,消化国外资料的困难之处在于把握之所以要“在特定的部位,以特定的结构形式,通过特定的工艺方法,应用特定的复合材料”的深层考虑,而此考虑的合理性将直接决定复合材料的应用效益。如仅仅止于表层模仿,则有得不偿失之忧。本文基于国内以往的研发和工程经验,以及国外报道的工程实践,意对国内大型飞机复合材料结构制造可能涉及的成型工艺方法作一讨论,陈其特点和利弊,以求抛砖引玉之效。国内大型飞机复合材料结构制造可能涉及的成型工艺

    方法及其特点飞机复合材料结构的成型工艺方法主要包括以下3类:

    (1)预浸料工艺方法。在零件固化工序前预先将基体树脂浸渍增强纤维,并将被树脂浸渍的纤维铺放干特殊载体之上,形成布/带状预浸料。然后将布/带状预浸料在模具上铺叠,形成零件叠层,并将叠层固化成型。

    (2)树脂转移工艺方法。在零件固化工序中将基体树脂转移至增强纤维预成型体内部,使基体树脂与增强纤维合为一体,进而固化成型。

    (3)纤维丝束缠绕/铺放工艺方法。在零件固化工序前将被基体树脂浸渍的增强纤维束缠绕或铺放于零件的模具表面,形成零件叠层,并将叠层固化成型。

    鉴于国内当前发展状况,大型飞机复合材料结构研发先期涉及的成型工艺方法会较多地集中于前2类。故本文的讨论也主要关注这2类方法。1预浸料工艺方法预浸料工艺方法是迄今为止在航空复合材料结构制造过程中应用最为广泛的方法之一。近年来,此法似被摒于“低成本方法”的概念体系之外,而与树脂转移方法形成旧新对应之势。但实际上,将此法简单视为一种“高成本”的结构制造途径并不准确,它在工程上的应用仍如日中天。预浸料工艺方法之所以长期得到广泛应用,是由以下特点决定的:

    (1)复合材料结构的成型工艺方法与结构内部纤维和基体的复合方式密切相关。因此,特定的工艺方法在实际应用过程中要求特定的结构设计/分析方法和规范与之相配。而基于预浸料的航空结构设计方法经过数十年的发展,其成熟性对于工程应用(其中包括成本因素)具有极为重要的意义。

    (2)预浸料制成后,其内部纤维通过树脂粘附于预浸料载体之上。因此,在以后的操作中,纤维的滑动和弯曲不易产生。与必须采用干态纤维预成型体的树脂转移方法相比,预浸料工艺所制的零件内部纤维方向的一致性和纤维的准直度可以得到更好的控制。同时,在热压罐压力作用下,可以实现有较高纤维含量要求的零件制造。采用预浸料工艺制造的复合材料具有较高的基本力学性能测试值。

    (3)固化成型过程中不涉及树脂的转移问题。此法对模具的要求相对简单。与热压罐设施配套后,尤其适用于大型的、具有高性能要求的复合材料结构制造。  预浸料方法用于航空结构可通过2条途径实现:

    ·铺层自动剪裁(采用专用的剪裁设备)+铺层的激光投射定位(采用专用的激光投射设备)+人工零件铺叠。

    ·采用专门的预浸带铺放设备综合完成铺层的剪裁、定位和铺叠操作。  2条途径各有其不可替代的特点。应特别指出的是,在当前的发展条件下,自动铺放设备,包括对大型飞机结构制造极为重要的预浸带铺放设备以及本文未予讨论的纤维丝束铺放设备,并非能完全取代人工铺叠途径而满足所有航空结构的制造需求。其中有技术上的原因,也有经济方面的考量。

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    作者:北京航空制造工程研究所 戴棣    编辑:杨 森    关健字:
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  • 《航空制造技术》2008第15期
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