蒋庆赛
摘要:先进复合材料在民用飞机中的大量应用带来了突出的减重优势和经济效益，同时对复合材料制造技术和成型质量提出了高标准要求。针对先进复合材料在民用飞机中的应用，介绍了国内外先进的大型民用飞机中典型复合材料构件的制造方案,并按照过程质量控制要求,从原材料、工艺过程及产品检验三方面进行了复合材料构件制造过程质量控制分析。分析表明，发展基于自动化的先进复合材料整体成型技术并实现复合材料制造过程的高水平控制,对满足民机适航性和经济性的高标准要求、实现复合材料在民机领域的大规模应用与批产具有重要意义。
关键词:先进复合材料;民用飞机;制造技术;过程控制技术
引言
基于先进复合材料比强度、比模量高，抗疲劳、耐腐蚀性能好,结构、功能可设计，可整体成型等优异特性复合材料与传统材料相比具有突出的减重优势,采用复合材料制造飞机结构件可使飞机的结构重量减轻10%~40%,从而提高结构效率、降低燃油损耗，带来突出的经济收益。因此，自复合材料问世以来,波音、空客等国外先进的民机制造商始终将复合材料作为飞机制造的选材之一。复合材料在民机结构中的应用情况所示。早期的民机机型中，复合材料的应用比例普遍低于10%,彼时复合材料仅应用于飞机的起落架舱门、整流罩、方向舵等简单零部件;随后,A320、波音777等机型开始将复合材料应用于水平尾翼、垂直安定面和水平尾安定面等次承力结构，复合材料应用比例有所提高;2000年以后,复合材料在飞机中的应用比例迅速增加,波音787客机率先应用复合材料制造飞机机身等大型主承力部件,A350客机也紧随其后,采用复合材料制造了机身壁板、翼盒、垂尾、平相比国外，我国复合材料在民机领域的应用起步较晚。近年来，随着复合材料产品的成熟化和制造技术的不断推进，我国民机复合材料构件设计和制造水平均取得了长足进步，并在国产飞机的研制中实现了复合材料的应用，综合分析国内外民机复合材料应用现状，我国民机复合材料应用和发展趋势与国际一 致,表现出复合材料应用比例越来越大、应用结构由次承力向主承力结构转变、复合材料构件的复杂程度和整体化程度日益提高等特点。然而，在复合材料民机构件的研制和生产过程中也暴露出了一些问题，包括过度依赖人工导致的制造效率低、质量稳定性差以及制造成本较高等,难以满足民用飞机适航性经济性的严苛要求，限制了复合材料构件在民机中的大规模应用与批产。由于复合材料是多组分的各向异性材料，其材料制造和构件成型同步完成，对产品制造缺陷的修复空间狭小，要实现大型复杂结构件的高效、稳定制造,除了要具备性能优异的原材料以外,复合材料构件的制造技术至关重要。同时，复合材料制造过程工序内容多、影响成型质量的因素繁杂，必须针对复合材料产品制造全过程进行监测和控制，以保证复合材料产品的质量。因此,开展先进复合材料结构制造技术研究并实现复合材料制造过程的高水平质量控制，对满足民机适航性和经济性的高标准要求、实现复合材料在民机领域的大规模应用与批产具有重要意义。
1先进复合材料结构制造技术
目前,用于大型民机复合材料结构的制造工艺按原材料类型主要分为两类:一是基于预浸料制造方法，包括热压罐成型工艺、真空压力成型工艺模压成型工艺;二是基于树脂转移的制造方法，包括树脂传递模塑成型、真空辅助树脂渗透成型和树脂膜融渗成型04。其中,基于预浸料的热压罐成型方法成型质量高、工艺稳定可靠、应用领域广泛，是目前航空领域主承力和次承力结构用复合材料构件的首选制造方法传统的基于预浸料的热压罐成型工艺通过人工手糊的方式将预浸料逐层铺贴，制造过程受人为因素的影响严重,成型质量的好坏及稳定性难以得到保证。为了提高复合材料构件制造的生产效率和产品质量的一致性，民机复合材料主承力结构件越来越倾向于采用自动化技术和整体化制造工艺。
通过自动铺放技术(自动铺带技术、自动铺丝技术等)、自动化装配技术、自动化检测技术等制造和检测复合材料构件可以有效提高复合材料构件的生产效率，避免人工操作引入的质量不稳定问题,而采用整体化成型的设计和制造方案，可以减少连接件的数量和装配工序,降低制造成本、减少制造周期,特别适合用于大尺寸、复杂曲面复合材料结构件的成型或者大批量的流水线作目前,大型客机A350、波音787的机身、机翼等结构均采用了以自动铺带、自动铺丝为代表的复合材料自动化制造技术,既保证了产品质量的稳定性,满足了适航要求，同时大规模自动化生产也降低了单机成本。对于复合材料机体结构的制造,波音787采用了简体结构整段制造的工艺方案，使用大型复合材料模具，将预成型/成型长桁埋入复合材料模具型腔内，采用卧式丝束铺放设备进行蒙皮铺放，最终通过热压罐共固化/共胶接工艺完成整体简段结构成型。此种成型方法整体化程度高、制造效率高,但工装设计难度大，技术难度较大。针对A350的前、中、后机身,空客公司仅在锥度较大的尾段采用了整体结构制造,其余均采用了分块结构制造工艺,即将简段机身划分为多块曲面壁板，通过自动铺丝工艺进壁板蒙皮的铺放再与长桁胶接共固化,最终通过配完成机身筒段的制造。针对复合材料机翼,波音787和A350均采用了自动铺放技术铺叠蒙皮毛坯再与长桁胶接共固化成型的工艺方案。在波音777X中,更是率先采用窄带铺放技术制造机翼蒙皮，根据轮廓和型面,通过独立压辊对每一条预浸带进行铺放，对于大型翼面类结构铺放效率极高。两大航空巨头的成功经验证实,由自动化技术支撑。
2复合材料制造过程控制技术
安全性是民用飞机最关键、最严苛的性能要求。适航要求飞机每飞行小时发生一次灾难性事故的概率在10°以内，这就需要飞机结构件质量具备高度稳定性和可靠性。由于复合材料成型过程是多种材料复合、多道工序串联的复杂过程，影响最终产品质量的因素错综复杂,必须针对复合材料产品制造全过程进行质量监控，及时发现制造过程中出现的异常因素，以实现复合材料制造过程的有效控先进复合材料制造过程控制针对复合材料产生产的全过程，包括原材料的分析与控制、工艺过程分析与控制以及复合材料产品检验三部分叫原材料的分析与控制是对预浸料、树脂、胶膜等原材料的性能及分散性以及原材料的运输、贮存及取用条件等进行分析和控制;工艺过程的分析与控制针对复合材料的成型过程，以热压罐工艺为例，涉及铺叠、胶接、封装、固化、机加、装配等工序的分析与控制;复合材料产品检验则是对复合材料产品进行必要的检验,如无损检测、外形检测、外观检测等,找出不合格产品，控制交付产品的质量。
3结束语
为实现新一代民用飞机“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、低成本”的发展目标，应做到以下几点:1)在现有先进复合材料民机构件的制造技术的基础上,继续发展复合材料自动化制造技术,包括自动铺丝技术、自动铺带技术、自动化装配技术等，建立自动化生产线，进一步提高民机复合材料构件制造的自动化水平;2)发展大型、复杂复合材料构件的整体化成型技术,充分发挥复合材料可设计、可整体成型的势,提高复合材料构件成型质量和制造效率,降低装配和维修成本;3)加强复合材料制造过程控制,实现复合材料构件制造全过程的全面监控,提高复合材料构件制造的质量及稳定性，为实现民机复合材料结构的高效、稳定制造和批产奠定技术基础。
参考文献
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[3]益小苏，张明，安学锋,等，先进航空树脂基复合材料研究与应用进展[J].工程塑料应用，2009，37(10):72-76.