張景雯 何佳玲 孟祥鈺 沈凱雯 陳吉平 魏毅

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.011

摘 要：該文分析了新型民航飛機(jī)復(fù)合材料成型技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀。適值國(guó)產(chǎn)大型民用寬體客機(jī)自主研發(fā)階段，該文就液體成型工藝在國(guó)內(nèi)的研究成果進(jìn)行了分析。參考液體成型技術(shù)在國(guó)內(nèi)外大型客機(jī)的典型應(yīng)用成果，對(duì)液體成型技術(shù)在國(guó)產(chǎn)寬體客機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了大膽展望。

關(guān)鍵詞：客機(jī) 復(fù)合材料 液體成型技術(shù)

中圖分類號(hào)：V214 8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（a）-0011-03

隨著中國(guó)航空市場(chǎng)的快速成長(zhǎng)，自主研制寬體客機(jī)對(duì)中國(guó)未來(lái)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)與國(guó)防特別是科學(xué)技術(shù)的整體推進(jìn)，都有著非常重大的歷史意義。目前，中國(guó)自主研發(fā)的C919型支線客機(jī)已經(jīng)下線，大型民用寬體客機(jī)也已進(jìn)入研究階段。隨著復(fù)合材料在寬體客機(jī)中的大量應(yīng)用，先進(jìn)復(fù)合材料的成型工藝成本已占總成本的60%～70%。液體成型技術(shù)因其優(yōu)異的性能成為了國(guó)內(nèi)外研究的新方向，液體成型技術(shù)將樹(shù)脂流動(dòng)方式與干態(tài)纖維相結(jié)合，很好地降低了預(yù)浸料在制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸上的成本；干態(tài)纖維可以通過(guò)縫、編技術(shù)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維增強(qiáng)，從而降低了外力對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞；成型過(guò)程大多采用非熱壓罐方式進(jìn)行固化，節(jié)約了熱壓罐設(shè)備的高昂成本，同時(shí)降低提供壓力和熱能所需的大量能耗，還能減少了因此而產(chǎn)生的有害排放；由于突破了熱壓罐的限制，這一成型方法可以更好地支持寬體客機(jī)的整體成型技術(shù)。但現(xiàn)在仍未被大量應(yīng)用于民用客機(jī)，故其在這一領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間。

1 新型民航客機(jī)復(fù)合材料成型技術(shù)

1.1 國(guó)外寬體客機(jī)復(fù)合材料成型技術(shù)概述

近年來(lái)尤其在2000年后國(guó)外大型客機(jī)機(jī)體復(fù)合材料用料比例大幅上升，其中主流的遠(yuǎn)程寬體客機(jī)的復(fù)合材料用量已達(dá)到50%以上，如代表當(dāng)今世界民用飛機(jī)制造技術(shù)最高水平的波音787和空客350，其復(fù)合材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已高達(dá)50%和52%。

目前民用航空復(fù)合材料構(gòu)件主要使用熱壓罐工藝進(jìn)行生產(chǎn)，并將該工藝與各種整體化成型技術(shù)和自動(dòng)化制造技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合。波音787使用熱壓罐工藝生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，并用熱壓罐整體固化工藝制造了整體機(jī)身筒段結(jié)構(gòu)；而在A380上則用熱壓罐工藝制造生產(chǎn)了中央翼盒結(jié)構(gòu)。

但是熱壓罐工藝制造復(fù)合材料的成本占整個(gè)復(fù)合材料生產(chǎn)成本的70%以上。而液體成型技術(shù)作為國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的低成本制造技術(shù)已經(jīng)在各國(guó)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。A380的機(jī)身部段使用RFI技術(shù)；B787的機(jī)翼后緣操縱面使用VARTM工藝；A380、B787球面框均使用了液體成型技術(shù)，使得整體框架纖維體積密度達(dá)到65%，孔隙率<0.2%[1]。

1.2 液體成型工藝在俄MS-21客機(jī)上的應(yīng)用

俄羅斯MS-21單通道客機(jī)的翼梁、蒙皮壁板和中央翼盒6個(gè)截面壁板等主承力構(gòu)件，首次采用干絲鋪放樹(shù)脂真空注射技術(shù)。其中相對(duì)于預(yù)浸料，干纖維鋪設(shè)過(guò)程的難點(diǎn)在于確保纖維定位，俄羅斯通過(guò)能調(diào)整溫度的鋪絲頭，采用鋪絲機(jī)進(jìn)行干纖維鋪覆定位，成功解決這一難點(diǎn)。機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量達(dá)到了40%[2]。

使用液體成型工藝制造大尺寸主承力構(gòu)件，所用烘箱的設(shè)備費(fèi)用為同等尺寸熱壓罐成本的1/7～1/10；干纖維和液體樹(shù)脂的成本低于相同材料轉(zhuǎn)化成預(yù)浸材料的70%；熱壓罐預(yù)浸料坯儲(chǔ)存壽命為9～12個(gè)月，而干纖維材料保質(zhì)期更長(zhǎng)且可以在室溫下保存，提高了生產(chǎn)質(zhì)量，降低了產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)。新型MS-21客機(jī)機(jī)翼原型件的孔隙率僅為0.3%，可與熱壓罐固化的質(zhì)量水平相媲美[3]。MS-21客機(jī)的主要技術(shù)性能相比空中客車公司生產(chǎn)的A320客機(jī)高出了12%～15%，并且通過(guò)降低燃料消耗將其經(jīng)濟(jì)性提高了25%。此外，由于復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，MS-21的客機(jī)重量?jī)H為A320的15%。MS-21飛機(jī)具有良好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。液體成型技術(shù)相比傳統(tǒng)預(yù)浸料熱壓罐成型技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 液體成型（用于民用客機(jī)）在國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展

2.1 液體成型

VARI成型在真空狀態(tài)下排出纖維增強(qiáng)體中的氣體，利用樹(shù)脂的流動(dòng)滲透實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維及其織物的浸漬，經(jīng)過(guò)升溫固化、冷卻脫模形成一定樹(shù)脂/纖維比例復(fù)合材料構(gòu)件。VARI成型只需單面模具來(lái)鋪放纖維，節(jié)省費(fèi)用；無(wú)需加高熱、高壓力，降低能耗；相比以往的成型工藝，克服了模具選材困難，成本昂貴，制造困難等問(wèn)題[4]。其工藝原理如圖1所示。

樹(shù)脂傳遞模塑成型RTM，是一種在低壓、密閉容器中制造復(fù)合材料的成型方法。具有效率高、成本低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠保證較好的制品質(zhì)量、較高的尺寸精度、較大的原材料利用率，而且研制周期短、受環(huán)境影響小[5]，生產(chǎn)過(guò)程中有害物質(zhì)散發(fā)量較少，適合制造高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料構(gòu)件。

RTM技術(shù)發(fā)展很快，目前在上述成型基本過(guò)程的基礎(chǔ)上，還衍生出一些特殊RTM技術(shù)，這些技術(shù)主要有真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑（VARTM）、共注射樹(shù)脂傳遞模塑（CIRTM）等。VARTM工藝更適合成型大厚度、大尺寸制件，尤其是船舶、汽車、飛機(jī)等結(jié)構(gòu)件[6]。

2.2 國(guó)內(nèi)液體成型（用于民用客機(jī)）的研究進(jìn)展

2.2.1 VARI成型

中航復(fù)材[7]提出HFVI技術(shù)（一種適用于高纖維體積含量VARI工藝樹(shù)脂流動(dòng)控制技術(shù)），利用該技術(shù)生產(chǎn)的加筋壁板纖維體積含量達(dá)到56%，并成功應(yīng)用于飛機(jī)艙門下壁板的研制。

另外上海飛機(jī)制造有限公司的COMAC919項(xiàng)目開(kāi)展了對(duì)于VARI成型樹(shù)脂，增強(qiáng)材料等材料參數(shù)試驗(yàn)研究，縫合預(yù)成型體制備，升降舵VARI成型模擬，VARI成型復(fù)合材料升降舵樣件研制，以及試樣的無(wú)損檢測(cè)，完成了升降舵1∶1模型的制造，且對(duì)VARI成型的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)有所突破。

第一，需要保證的重要技術(shù)指標(biāo)是纖維體積含量。復(fù)合材料厚度主要受到增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)形式，成型壓力和基體樹(shù)脂粘度的影響。上飛采用兩種不同的方法來(lái)確保成型工藝中的真空度達(dá)到所需要求。最后將纖維體積含量基本控制在55%～58%。其中實(shí)驗(yàn)板的復(fù)合材料板材的厚度（纖維體積含量）的分布示例如圖2所示，并且根據(jù)幾組不同部位的板材厚度數(shù)據(jù)可得纖維體積含量大致維持在57.08%附近。

第二，提出了解決VARI成型工藝中樹(shù)脂難滲透到導(dǎo)流網(wǎng)另一側(cè)浸透增強(qiáng)材料而形成大面積干斑問(wèn)題的方法，從而達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)中大面積泡沫夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

第三，通過(guò)控制泡沫芯材和碳纖維復(fù)合材料蒙皮界面附近樹(shù)脂的流動(dòng)，提高界面增強(qiáng)材料的毛細(xì)作用，解決了界面膠接的質(zhì)量問(wèn)題。

將上述試樣解剖，采用晶相顯微鏡觀察表明，3種試樣的泡沫表面開(kāi)口單元基本全部被樹(shù)脂填充，說(shuō)明復(fù)合材料的泡沫界面確實(shí)得到了改善。

第四，預(yù)成型體的制備是液體成型的關(guān)鍵技術(shù)，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行控制：預(yù)定型劑的設(shè)計(jì)和縫合工藝。在定型劑定型技術(shù)上，用樹(shù)脂粉末作為定型劑，實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)真空袋預(yù)定型后的材料區(qū)域不會(huì)位移，不起皺紋；在縫合工藝上，通過(guò)精確調(diào)節(jié)縫合張力提高了縫合技術(shù)。

2.2.2 RTM技術(shù)

RTM技術(shù)工藝相對(duì)成熟，中航復(fù)材[7]利用高效樹(shù)脂控制流動(dòng)技術(shù)制造了外形尺寸達(dá)到1 800 mm×2 800 mm×200 mm的多腔體結(jié)構(gòu)整體件。同時(shí)C919的擾流板中也進(jìn)行了RTM成型的嘗試，但因其應(yīng)用于大型件時(shí)需要加壓力，且樹(shù)脂粘度較難控制，所以RTM在飛機(jī)主承力多腔結(jié)構(gòu)整體件的大批量生產(chǎn)中應(yīng)用較少。

3 國(guó)內(nèi)寬體客機(jī)液體成型創(chuàng)新性展望

3.1 液體成型技術(shù)應(yīng)用于寬體客機(jī)的展望

目前商飛公司已經(jīng)利用VARI成型制造了飛機(jī)中屬于非主承力結(jié)構(gòu)的升降舵。且技術(shù)較為成熟，可應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，比如整流罩、水平尾翼、方向舵、擾流板等，另外機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等主承力構(gòu)件也可用VARI成型。

現(xiàn)階段RTM已經(jīng)投入到某些承力結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。利用該技術(shù)，Douglas與NASA聯(lián)合生產(chǎn)的飛機(jī)機(jī)翼壁板已交付試驗(yàn)，并制成了1.8 m×1.2 m和3 m×1.2 m的變截面蒙皮加筋板；RAH-66主旋翼也已采用RTM工藝。三菱重工采用VARTM研制了MRJ垂直尾翼主盒段。

利用干絲鋪放樹(shù)脂真空注射技術(shù)，俄羅斯生產(chǎn)的MS-21客機(jī)在機(jī)翼和翼盒這類主承力結(jié)構(gòu)上成功采用液體成型，并且完全能達(dá)到熱壓罐成型水平。

基于以上論述與分析，該文設(shè)想可以在寬體客機(jī)上廣泛使用液體成型技術(shù)，作為國(guó)內(nèi)民航客機(jī)制造的創(chuàng)新點(diǎn)。

3.2 液體成型技術(shù)整體成型寬體客機(jī)機(jī)身的展望

整體成型能夠提高飛機(jī)組裝的精度，大量減少了連接件和墊片的數(shù)量，因而減重效果明顯，減少了裝配工時(shí)和裝配設(shè)備的數(shù)量，降低了成本；機(jī)身的氣密性、抗疲勞和耐腐蝕性能大幅提高，其中氣密性的提高又為客機(jī)內(nèi)增壓增濕提供了可行性。

采用真空袋-烘箱成型實(shí)現(xiàn)了某輕型公務(wù)機(jī)的中機(jī)身的整體共固化[8]；美國(guó)NASA的Boeing預(yù)成型體計(jì)劃中，采用VARI工藝對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及加強(qiáng)筋機(jī)身整體復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的成型進(jìn)行了驗(yàn)證；美國(guó)Seaman公司已實(shí)現(xiàn)用VARI工藝整體制造半個(gè)機(jī)身；中航[8]研究表明可以準(zhǔn)確定位將翼盒、防火墻、舷窗已固化的零件作為預(yù)埋件通過(guò)填充膠填充完成共膠結(jié)?；谝陨蠋讉€(gè)實(shí)例，該文提出以下設(shè)想：一些非熱壓罐成型技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)部分機(jī)身的共固化成型，所以液體成型技術(shù)可能應(yīng)用于機(jī)身整體成型，相信通過(guò)已經(jīng)成熟的二次膠接技術(shù)接將兩個(gè)半機(jī)身拼接在一起即可成型整體機(jī)身。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，中國(guó)商飛正在進(jìn)行民用寬體客機(jī)的自主研發(fā)，基于對(duì)國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料及其成型技術(shù)大量的研究和分析，液體成型共固化，多機(jī)段、多構(gòu)件二次膠接及共膠接等技術(shù)相互結(jié)合，有可能實(shí)現(xiàn)液體成型在機(jī)身整體成型中的全面應(yīng)用，從而達(dá)到復(fù)合材料用量提升、性能提高，設(shè)備等制造成本大大降低，能耗排放顯著減少的目的。利用液體整體成型技術(shù)自主制造出新一代民用飛機(jī)指日可待。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐東明，劉興宇，楊慧.低成本真空輔助成型技術(shù)在民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2014（Z2）：87-89.

[2] 劉亞威.復(fù)材制造技術(shù)的變革[J].大飛機(jī)，2014（7）：108-109.

[3] Ginger Gardiner. Resin-infused MS-21 wings and wingbox [J].High-Performance Composites，2014（1）：29.

[4] 劉強(qiáng)，趙龍，卓鵬，等.VARI技術(shù)在民機(jī)襟翼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用研究[J].航空制造技術(shù)，2013（22）：80-83.

[5] 張保平，王運(yùn)生.RTM技術(shù)在大飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件上的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2007（12）：68-70.

[6] 劉兆麟，程燦燦.復(fù)合材料液體模塑成型工藝研究現(xiàn)狀[J].山東紡織科技，2011（2）：50-53.

[7] 趙龍.液體成型—高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料的低成本制造技術(shù)[N].中國(guó)航空?qǐng)?bào)，2015-02-10（S02）.

[8] 李賢德，王彬，程文禮，等.通用飛機(jī)全碳纖維復(fù)合材料機(jī)身整體成型技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2015（14）：52-55.