摘要：科技的快速发展不仅使得航空航天技术得到显著的提升，同时也使更多全新的复合材料出现在航空航天领域。这些复合材料能够有效地满足航空航天发展过程当中对于材料轻重量、低成本、高性能的要求。本文分析了航空航天中复合材料的精确制造技术及应用。
关键词：航空航天；复合材料；制造技术；应用分析
航空复合材料构件分为层压结构、夹芯结构和整体结构。主要用于飞机机身壁板、机翼和舵面，如垂尾、副翼等结构。因为高分子材料固有的分子量分布、时温等效性和应力松弛特性，复合材料构件的厚度尺寸公差一般为厚度尺寸的5％～8％，复合材料构件固化变形大，有的到达10mm以上。因飞机结构隐身、高速度、燃油经济性及高公差值的要求，对复合材料构件的制造精度提出了更高的要求，如厚度公差不超过4％，外形公差不超过0.5ram，型面阶差不超过0.1mm。传统的复合材料构件制造精度已经无法满足当今飞行器的高要求，如何提高复合材料构件的厚度及外形轮廓的制造精度，已经成为近10年来国内外航空复合材料构件制造行业的研究重点。
1零件成形技术
1.1RTM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设备研究等几个方面是关键。
1.2RFI工艺技术
RFI工艺技术又称为树脂浸渍技术，该技术是树脂膜熔渗和纤维预制体相融合形成的一种低成本复合材料成形技术，其采用传统的真空袋压成形方法进行工艺生产，现在主用于飞机雷达天线罩等大平面或不太复杂的曲面构件的生产。RFI工艺的优点是可以使用熟知的预浸料树脂体系，其成形的复合材料性能与预浸料成形复合材料的性能相同。RFI工艺使用树脂膜，制造脂膜的成本约为纯树脂成本的两倍，成本较高。此外，这种树脂膜在没有载体的情况下操作不便，如胶黏剂膜。RFI技术在真空袋系统进行固化时对温度要求较高，因此对核心材料及工装的高温承受要求比较高，在之后的发展研究中，RFI更多的要从三维编织及缝合、树脂流动模拟及控制等方面入手进行研究开发。
1.3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复合材料构件制造温度场的精确控制
无论是热固性还是热塑性复合材料构件的制造通常都需要高温高压和真空，尤其是热固性复合材料构件在高温高压的作用下发生化学交联固化反应，固化温度对树脂的反应速率、交联密度、固化程度起着重要的作用，复合材料构件固化时不同位置在不同时刻的温度的差异将直接影响到构件的制造精度。加热成型的温度场是一个由工装、构件毛坯、加热设备、升降温速率和辅助材料等构成的系统，是系统综合作用的体现，宏观表现为复合材料构件的热均匀性也称热分布。因此，众多专家学者对温度场的研究均集中在对系统热均匀性或热分布的研究方面。
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张纪奎等[1]依据热传导和固化动力学理论，通过三维有限元方法研究了复合材料构件的厚度和纤维体积含量在固化过程中的温度和固化度历程及其变化规律。模拟结果表明复合材料构件厚度越大，温度梯度越大，中心点开始固化时间越早；随着固化温度的升高复合材料构件纤维体积含量越高，树脂交联反应放热量越大，复合材料构件中心点温度升高越快，固化程度越高。左德峰等[2]利用有限元方法研究了复合材料构件板厚度、固化升温速率等因素对热压罐固化温度场分布的影响。该计算结果表明，固化过程中应根据复合材料构件层合板的厚度合理地选择升温速率，以保证复合材料构件内部温度场的均匀性。李君[3]等的研究表明升温速率、恒温时间和降温速率都将直接影响到固化残余应力和应变的产生，且固化残余应力、应变的形成将引起复合材料构件产生回弹及翘曲变形。复合材料构件固化时热压罐环境温度及自身的固化反应放热的共同作用使得复合材料构件内部产生复杂的温度梯度，这种不均匀的温度梯度不仅会造成复合材料的固化程度不均匀，而且还将引起复合材料构件产生残余应力和变形，引起复合材料构件在固化成型前期产生内部缺陷。
由此可见，复合材料固化过程中复杂的温度梯度是产生残余应力和变形的直接原因，进而影响到复合材料构件的制造精度，因此在复合材料构件制造时必须对固化温度场进行精确控制。在成型尺寸较大、厚度大的复合材料构件时，升温速率和降温速率过快不仅会影响到成型工装温度场的均匀性，还会造成复合材料构件内部产生较大的温度梯度。温度梯度的存在使得构件内部的树脂固化度不一致，固化收缩引起复合材料构件发生翘曲和变形。虽然较低的升、降温速率能减小复合材料构件内部的温度差异，使得复合材料构件内部温度梯度减小，复合材料构件变形小不易发生翘曲，保证复合材料构件的精确制造，但是过低的升温速率和降温速率无疑会增加零件的制造成本。航空复合材料构件成型时，升温速率一般不超过2℃／min，降温速率一般为2～3℃／min，复合材料构件出罐后需后固化4h以上。
3层板及蜂窝结构制造
3.1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。
3.2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，使材料有抗压、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。
结束语
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。
参考文献
[1]张纪奎，关志东，郦正能.热固性复合材料固化过程中温度场的三维有限元分析[J].复合材料学报，2013，23(2)：175—179.
[2]左德峰，朱金福，黄再兴.树脂基复合材料固化过程中温度场的数值模拟[J].南京航空航天大学学报，2014，31(6)：701—705.
[3]李君，姚学锋，刘应华，等.复合材料T型整体化结构固化翘曲变形模拟[J].复合材料学报，2016(1)：156—161.
论文作者:闫玲
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/29
标签：复合材料论文; 构件论文; 速率论文; 技术论文; 树脂论文; 纤维论文; 温度论文; 《建筑学研究前沿》2018年第27期论文;