刘云龙
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江 哈尔滨 150060
摘要：随着航空航天事业的不断发展，各种复合型材料纷纷进入人们眼帘，为航空航天事业保驾护航。复合材料随着航空航天事业的不断发展，各种复合型材料纷纷进入人们眼帘，为航空航天事业保驾护航。复合材料构件的制造技术水平关系到材料的性能，目前，制造技术正在不断完善。在航空事业蓬勃发展的今天，各种复合材料的应用频率不断提高。在一架飞机中，大部分会采用复合材料，复合材料的技术水平将直接决定航空领域的发展。我国航空复合材料制造技术还有待提高，因此，加强对复合材料制造技术的研究很有必要。
关键词：航空；复合材料；制造技术
在20世纪60年代，复合材料就已应用于航空领域，随着近几年航天科技的飞速发展，飞行器也不断朝着高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向突破，航空复合材料的制造技术以及材料性能也在不断提高。先进复合材料已经成为航空航天四大材料之一。飞机的大部分都是采用复合材料，可见复合材料对航空工业的重要性。正所谓“一代材料，一代飞机”，材料的水平直接决定着航空、航天领域的发展。我国目前在复合材料的技术方面还不太成熟，加强对航空复合材料制造技术研究有重要意义。
一、复合材料简介
复合材料是一种多相材料，它由两种或多种性质不同的材料组成。主要组分是增强材料与基体材料。相比常用金属材料，复合材料具有如下特点：高的比强度和比模量、各向异性和可设计性、良好的抗疲劳性、成形工艺好、良好的尺寸稳定性、层间强度低、原材料成本较高。复合材料随增强纤维与基体品种的不同，种类也不同。按纤维品种可分为碳纤维复合材料、芳给纤维复合材料、碳化硅纤维复合材料等；按基体品种可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料等。树脂基纤维复合材料的最大特点是材料设计和结构设计能够一次同时完成。显示出材料、工艺、设计三位一体的特点。
1、碳纤维。碳纤维具有碳材料的固有本质特征，又有纺织纤维的柔软可加工性，是新一代军民两用的增强纤维。按原丝种类分类，工业生产的碳纤维主要有三大类，即聚丙稀腈（基碳纤维、浙青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，基碳纤维占据主流地位，产品占碳纤维总量的以上，粘胶基碳纤维还不足。
2、树脂基体体系。树脂由许多聚合物分子链构成，线型聚合物分子链一般呈现不规则的线状或团状。有些大分子链之间相互交联形成立体网状结构聚合物，还有一类聚合物大分子其主链上带有一些或长或短的小支链的支链聚合物，整个分子仍然呈现为线型结构。实现整体结构，基体树脂应满足树脂在一定温度下的流动处于稳态，树脂有良好的成膜性和粘接性，树脂的凝胶窗口较宽，允许较大的温差，树脂粘度可控，树脂中无挥发物，反应过程无低分子成分逸出，由树脂制成的碳纤维预浸料粘性良好等要求。在复合材料热压罐成型过程中，同样要求热固性树脂具有一定的流动性，树脂的流动性过大，将造成工艺控制困难，复合材料贫胶，如果流动性过小，会造成纤维层与层间接触不良，树脂分布不均。因此，树脂的流动性测试对于复合材料成型工艺的优化和质量控制至关重要。相关的流变学理论已经滲透到许多的科学领域。流变学是根据应力和时间等参量探索流动和形变发生、发展的规律。流变的研究有助于了解树脂的加工特性，从而确定最适宜的加工成型条件，制得最优性能旳产品。
二、复合材料零件成形技术和预形件制造技术
1、零件成形技术。所谓零件成形技术是在满足零件外形的情况下，不损伤纤维并确保它们合理地分布在基体中而不产生重大空隙的工艺方法，该技术常应用于航空航天弯管类零件和钣金零件等各种零件的加工。复合材料成形工艺特点主要取决于复合材料基体，基体材料本身的成形方法也往往适用于以该材料为基体的复合材料。目前来看，零件成形技术主要有。（1）RTM成形技术。
RTM是指树脂转移模塑成形技术，由于环保、成本低、质量好，且能形成双面大型的整体件，达到节约装配工作等优点，因而其在强度主承力结构件的制造方面运用非常广泛，如：舱门、检查口盖等。在大型RTM件也有应用，如在F-35上垂尾上的应用。就发展趋势来说，要对孔隙大、纤维含量低、树脂分布不匀浸渍等各种问题进行解决。在今后的技术研发中，充填过程模拟技术、热传递和固化反应研究、注射方法研究、RTM设备研究等方面是关键。（2）纤维缠绕技术纤维缠绕是一项非常成熟的技术，是通过把纤维束进过浸渍后通过纤维进给装置缠绕到芯轴上，主要是采用了编织带缠绕技术，该技术是应用最为广泛的复合材料自动化成型技术。缠绕成形制品具有强度高、质量轻、隔热耐腐蚀性能和良好的工艺性，主要用于空心、圆形及椭圆零件。在以后的发展中，纤维缠绕技术在克服了成本高、自动化程度低的缺点后，应用范围显著扩大。
2、预形件制造技术。在复合材料制造中，采用预形件制造技术，主要是增强二维复合材料叠层结构在厚度方向的强度，预形件制造技术多用于层板连接、缝合等。（1）缝合技术。缝合技术是针对纤维织物，通过纤维和缝合机将不同的部分连接到一起，再进行复合固化，最终形成纺织类的复合材料。这类材料大多用于蒙皮复合材料预形件，有着强度高、可变性大、抗剪切能力强、韧性好、抗疲劳、重量轻、成本低等优势。目前所采用的缝合技术大多是美国开发的。对我国来说，缝合技术之后的发展方向主要在于产品的厚度、连接强度方面。（2）纵向加强技术。纵向加强技术是在连接固化前或固化过程中用销棒插入到层板中使其更近一步连接，这样可以获得三维增强复合材料。目的是为了更好地加强复合材料的韧性，增加其抗断裂能力。当纵向加强技术与缝合技术结合起来，能很好地加强复合材料的断裂韧性，更能提高受冲击力。相对缝合技术来说，纵向增强技术因为其不受尺寸和厚度的限制，更有发展潜力，是未来航空飞行器应用技术的关键。
3、层板及蜂窝结构制造。纤维增强金属层板（FRML）是混杂复合材料，是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的，根据纤维的排列情况，可分为单向纤维增强金属层板和多向纤维增强金属层板。在这类材料中，纤维一般都具有很高的强度和模量，为承载组元，基体金属（层板材料）起着固结纤维和传载荷的作用，纤维增强金属基复合材料层压板沿纤维方向具有高的尺寸稳定性，优良的高温特性。（1）层板结构的制造技术。航空飞行器所用复合金属层板大多是由薄的金属板和纤维织物经处理胶合而成，在实际生产中，可根据具体要求、用途，进行复合材料中金属类型、厚度、纤维的处理，生产过程中工艺、连接技术、铺贴顺序、纤维方向以及处理方式等也可随之发生改变，这样达到层板性能的改变。如：目前常用的层板是采用的铝合金的复合薄板，若要增加材料的比刚度，可以把铝合金改成铝锂合金；若要增加耐高温，则可把铝合金换成钛合金。层板结构中的纤维，一般采用玻璃、芳纶纤维、碳纤维和石墨等。（2）蜂窝结构制造蜂窝复合材料是采取特殊结构的材料，采取类似于连续排列的工字钢结构，料有抗压、抗弯、重量轻、不易变形，不易开裂和断裂，并具有减震、隔音、隔热和极强的耐火性等优点。其制造工艺是先用金属制造成蜂窝，然后再用两块金属板把它夹起来。这种蜂窝结构的复合航天材料目前已大量用于航天飞机、人造卫星、宇宙飞船、卫星等各个方面，其未来发展前景也非常可观，不仅在航空材料上，甚至在未来的大型军用运输机及无人机等机体上有相当广泛的应用前景。和层板结构复合材料一样，蜂窝结构可根据实际用途进行用材的调整来增加刚度和硬度。
随着科学技术的快速发展，越来越多的复合材料被开发并运用，这对制造技术、检测技术也都相应提出了更高的要求。展望未来，我国应加强复合材料的研发，相信随着复合材料材料技术研究的深入，其将运用到各行各业。
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