树脂基碳纤维复合材料成型工艺现状及发展方向.doc

树脂基碳纤维复合材料成型工艺现状及发展方向
  与金属材料相比,高性能纤维复合材料成本高,所以必须在纤维复合材料结构件制造过程中广泛实现自动化和数字化相结合的现代复合材料制造技术,以达到降低飞机全寿命周期内成本的目的。
国外飞机碳纤维复合材料制造技术现状
1 复合材料用量大幅提高
目前,国外新一代军机和民用运输机已普遍采用高性能树脂基碳纤维复合材料,第四代战机复合材料用量占飞机结构重量的20%~50%,干线客机约为10%~50%。
以波音777为例,在其机体结构中,铝合金占70%、钢11%、钛7%,复合材料仅占到11%,而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音787时,复合材料的使用出现了质的飞跃,其用量已占到结构重量的50%,不仅数量激增,而且已用于飞机的主承力构件。
2 构件集成化、整体化、大型化
复合材料是大型整体化结构的理想材料,与常规材料相比可使飞机减重15%~30%,结构设计成本降低15%~30%,制造成本大幅降低。复合材料还克服了金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点,增加了飞机的耐用性,改善了飞机的维修性,同时也带来了飞机客舱的舒适性。
美国CAI计划将复合材料结构整体成型技术列为其最主要的关键技术之一,并于2001年开始用于F-35(JSF)的验证上。
在波音787之前,飞机的机身段由约2500个配件、3万个螺钉组装起来,现在通过采用集成化的整体机身结构,使生产方式更简单、更可靠,且显著减少了零件数目,减重约达20%。
3 制造设备大型化
在复合材料制造设备上,国外民机广泛采用了高效的双头铺带机、自动铺放设备、大型热压罐及超声检测设备等,为高速生产机体结构提供了保障。
ASC工艺系统公司已制造出用于波音787复合材料机身段固化的、世界上最大的热压罐。,最高温度232℃,作业区面积9m×23m,容积2214m3,重量500t以上。
Flow International公司制造了超大型喷水切割机,用于长达30m的波音787全复合材料结构机翼蒙皮层合板的切割,床身为36m×。该磨粒喷水切割机可快速、高效切割厚的层合扳,且不产生过热问题。
4 复合材料下料、铺放、切割实现自动化和数字化
由Dassault Aviation公司同BAE体系公司联合设计的商用喷气式飞机机身采用浸渍树脂的碳纤维窄带和蜂窝芯材制造。×2m,机身全部采用圆桶式复合材料(P)方案。
B787飞机加工中生产出的第一个全尺寸复合材料整体结构机身段的尺寸为7m×6m。这一包括桁条在内的整体结构是在一副用殷伐钢制成的大型芯轴中制作的,芯轴上安装有加强筋的W形模腔,加强筋在纤维铺放前被安放在模腔中,应用计算机控制的复合材料铺带机完成纤维铺放。模具被安装在一个旋转机构上,随着铺带过程的进行,该机构带动筒型件旋转,然后该构件被包裹并放入热压罐中进行共固化,形成带加强筋的壳体结构。
5 低成本制造技术广泛应用
由于复合材料的成本较高,特别是制造成本,这是制约它进一步扩大应用的主要障碍之一。以美国为首的西方发达国家纷纷制订低成本复合材料发展研究计划,不断完善复合材料层压板真空袋-热压罐制造工艺,开发高性能、低成本的复合材料制造技术,并已取得较大进展。如自动化的铺带机(ATL)、纤维