姚明刚
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：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，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。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。
关键词：先进复合材料；飞机；制造技术
先进复合材料已成为新一代大飞机的主体结构材料，其在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。随着复合材料在飞机上的应用日益广泛，复合材料产品生产制造过程的质量控制也随之成为研究的热点问题。一方面，由于航空企业对质量的严格要求决定了作为飞机重要零部件的复合材料产品必须进行严格的生产控制和管理；另一方面，由于复合材料的原材料和生产制造加工成本昂贵，故有必要对生产加工过程进行实时监控，及时发现生产中出现的异常因素，减少或防止不合格品的产生，有效提高企业效益。
一、复合材料
复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料，通常由基体和增强剂两部分构成。当今，复合材料已经与铝、钢、钛一起并列为四大航空结构材料。复合材料在经历了几个阶段的发展后，实现了从非承力构件、次承力构件到尾翼、机翼与机身等主承力构件的转变。发生这种转变既是因为飞机性能的需求，同时也是商业和市场竞争的需要。目前新研制的飞机大都在主结构上采用了复合材料，这大大的提高了结构的一体化程度，减少了零部件的个数，缩短了总装的时间。另外，复合材料非常好的物理特性和可设计性，再加上目前复合材料生产成本的降低，这促使了航空企业选材从金属材料向复合材料的转变。当今，随着先进复合材料在军、民用飞机上的应用，复合材料的生产制造成本不断降低，复合材料的应用越来越广泛，不仅在航空航天领域，其他各个领域如航海领域等也越来越多的应用先进复合材料到结构中。随着复合材料领域的发展，各类复合材料研究项目成果定会在将来新的飞机项目中得到应用，从而不断增强我国航空事业的竞争力，为我国航空事业在世界之林占据一席之地贡献出不可忽略的力量。
二、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，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制。
1、原材料控制。复合材料成型过程是将多相材料结合为整体的过程。要实现复合材料成型过程的控制，首先要对原材料进行控制。根据复合材料产品的性能要求，选择性能满足使用要求的原材料，并对原材料的运输、贮存、取用等过程的工艺参数进行把控，控制可能影响原材料及最终复合材料性能的因素，实现原材料的稳定使用。
预浸料是民机复合材料构件最主要的原材料，其组成和性能直接影响复合材料产品的成型质量。为实现预浸料的质量控制，对每批入厂材料进行复验，考察未固化预浸料的关键性能参数和层合板物理性能及材料性能的稳定性，实现预浸料的性能评价和质量控制。
此外，由于预浸料本身会发生固化反应，必须严格把控预浸料的运输、贮存条件，将预浸料密封在防潮袋内，贮存在低温冷库中;同时，控制预浸料的取用方法，避免因吸湿对预浸料及复合材料的性能造成不良影响，具体的做法是:从冷库中取出预浸料后，将预浸料置于室温环境下保持密闭直至外包装塑料袋擦干后无水汽产生。
2、工艺过程控制
自动铺放过程控制。预浸料的铺层方式和铺叠质量是影响复合材料性能的关键因素。自动铺放技术采用自动化设备替代人工完成预浸料的铺放，可以有效减少人为因素的影响。然而，由于自动铺放技术在国内民机领域的应用尚处于起步阶段，铺放过程中因操作不当造成的层间夹杂、丝束搭接或屈曲褶皱等构件质量缺陷时有发生。自动铺放过程中的缺陷形成原因主要包括材料性能和规格不够稳定、工艺参数和铺放轨迹等不够合理、铺放过程中异常现象的识别和处理不够及时等。基于以上原因分析，自动铺放的过程控制主要针对材料的一致性、工艺参数的合理性、设备运行的稳定性以及铺放质量监控的实时性进行开展。材料的一致性可以通过入厂性能复验和料卷端面高度差测量进行检验控制；工艺参数的优化和设备运行的稳定性，可以通过对自动铺放过程进行建模，采用诸如工艺过程敏感性控制、反馈系统的参数控制和工艺输出反馈控制等控制方案，达到对温度、铺放压力等工艺参数稳定控制的目的。
3、胶接过程控制。民机复合材料构件整体化程度的不断提高，使胶接过程成为复合材料民机构件制造中不可忽视的一个部分。由于胶接过程涉及材料种类多、界面复杂，胶接质量的好坏对胶接过程敏感性极高，因此必须进行严格的过程控制，具体包括胶接材料控制、胶接辅助材料控制、胶接前表面处理方法控制、胶接环境控制、胶接定位控制等方面。对于民机复合材料结构件，所用胶黏剂必须选自材料规范中的合格产品清单，所用胶接辅助材料和胶接前表面处理方法满足工艺规范的要求，胶接过程在净化间内进行。对于共胶接、二次胶接工艺成型的复合材料构件，胶接过程中的复合材料组件的定位至关重要，需要采用激光投影仪、定位卡板、工业机器人等专用设备结合必要的检测手段实现胶接定位的控制。
4、固化过程控制。复合材料的固化过程既是材料制备的过程也是构件成型的过程。复合材料一经固化，质量修复空间极小。因此，固化过程的控制对复合材料构件的成型非常关键。国内外针对固化过程的控制展开了广泛研究，普遍认为固化质量主要受到固化温度、固化压力、保温时间、升温速率等固化参数的影响。固化温度是实现树脂固化的前提，温度过高容易引起固化不充分，温度过低可能造成固化不完全，均会影响复合材料制件的力学性能。固化压力一方面可以促进预浸料中树脂的充分、均匀流动并减少孔隙率，另一方面可以使复合材料构件充分贴模、获得理想的外形。
5、复合材料产品检验。合理的检验方法是评价复合材料成型质量的必要条件。民机复合材料构件产品常用的检验方法包括无损检测、外形检测、外观检测等。根据民机复合材料构件的组成、结构特点以及使用要求，选择合适的检测方法，应用自动化、数字化检测设备，建立规范的检验规程，对检验方法进行控制，从而通过复合材料产品检验，评价复合材料产品质量，确保交付产品的性能满足要求。
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。
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