碳纤维复合材料在航空航天领域的应用浅析

万磁王

2、预浸料-热压罐整体成型工艺
　　用预浸料-热压罐工艺生产碳纤维制造复合材料，要先将碳纤维浸溶在树脂溶剂里，进行铺叠成型。接着经过模具工装进行表面组装固定，在部件接触面贴胶。其后进热压罐100-130度固化，并通过紧固成为成品构件。

　　美国采用预浸料-热压罐固化成型工艺制造航空制造复合材料的成本中，材料占15％，预浸料铺叠占25％，装配占45％，固化占10％，紧固工艺占5％。
　　看到了吧？预浸料铺叠和装配在成本中占了70%，这也是咱们关注的重中之重。

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　　早期复合材料制造的大型构件，通常是由各自成形好的部件，通过机械连接组装而成。这样的方式增加了结构的自重，不能很好地发挥复合材料的优点。随着技术的发展，大型复材结构逐渐实现了预浸料-热压罐整体化制造，其工艺可分为三种：
　　共固化：不同部件分别铺叠，整体进热压罐固化。
　　共胶接：先完成一个部件的固化，再铺叠其他部件，整体进热压罐共胶接。
　　后胶接：各部件分别铺叠、分别进热压罐固化，然后整体再次进热压罐胶接。
　　喂，兵器迷，太太太……抽象了！
　　是是是……挠头。没别的办法，再举几个例子吧。

例1：壁板类工艺
　　对于飞机尾翼、机翼和非筒体成型的机身，需要壁板类的大型复材，这类结构主要由蒙皮和长桁组成，其成型工艺有以下几种方式。
　　共固化：分别铺叠蒙皮和长桁，通过模具工装将其组合在一起，接触面铺胶膜（或不铺胶膜）；之后整体进热压罐完成共固化。
　　胶接：蒙皮先固化，再铺叠长桁，通过模具工装将其固定在已固化好的蒙皮上，接触面铺胶膜，之后进罐完成共胶接。或者反过来，长桁先固化，再与蒙皮共胶接。
　　后胶接：分别固化蒙皮和长桁；将长桁进行必要的加工；通过模具工装将蒙皮与长桁组装，接触面铺胶膜，之后进热压罐完成胶接。
　　在实际生产中，上述三种工艺可以混合使用。

例2：盒段整体工艺
　　对于飞机翼面，需要上、下蒙皮与骨架一体成型的整体盒段，按照用途，主要有三种工艺：
　　一是基于“π”形接头的盒段结构胶接成型工艺。主要用于飞机平尾、垂尾。
　　二是基于T形接头的骨架与上、下蒙皮共固化/胶接一体成型工艺，通常用于飞机平尾、垂尾部分，如目前波音787的平尾即采用了这类成型工艺。
　　三是基于T形接头的骨架与下蒙皮一体共固化/胶接成型工艺，通常主要用于战斗机的机翼主承力结构。如欧洲EF2000机翼、日本F-2机翼。

例3：筒体成型工艺
　　对于航空器的机体，其复材结构方案有两类，一类是将机身的每段筒体分为四块壁板分别成型后，再用机械连接方式对接，空客A350XWB即为这种工艺方案；另一类则是将机身每段筒体整体共固化工艺成型，其代表机型是波音787。
　　壁板、盒段、筒形制件，涉及飞机翼面、机身的主要组成部分，近年来一直是国内外复材应用的核心领域。对此感兴趣的朋友，请记住预浸料-热压罐这个晦涩拗口，但是意义重大的术语吧。
　　在预浸料-热压罐工艺中，预浸料的手工铺叠是人工成本和人工时间消耗最大的一个环节，这种工艺的速度慢、质量低、时间长、人工成本高。因此，铺叠自动化，就成为这个工艺中最讲究的部分。如果说，预浸料-热压罐是航空复材生产工艺的皇冠，那么铺叠环节的自动化工艺，就是这个皇冠上最耀眼的那颗钻石。

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3、预浸料铺叠自动化技术
　　目前，业界对手工铺叠改进的方式主要有手工自动铺叠、自动铺丝、自动铺带三种：
3.1、手工铺叠的自动化/数字化技术
　　即采用预浸料自动剪裁下料系统和铺层激光投影定位系统等。采用专门的数控切割设备来进行预浸料和辅助材料的平面切割，从而将依赖于样板的制造过程转变为可根据复合材料设计软件产生的数据文件进行全面运作的制造过程，大大提高了手工铺叠的工作效率和铺叠质量。

手工铺叠

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3.2、自动铺带技术
　　分为平面式自动铺带机（FTLM）和曲面自动铺带机（CTLM）2种，主要用于铺放小曲率的大型复合材料构件，如翼面类构件的蒙皮，可成型超大尺寸和形状复杂的复合材料制件，且质量稳定，缩短了铺层及装配工时。与手工相比，先进铺带技术可降低制造成本的30%~50％。

曲面自动铺带机

　　第一台计算机数控（CNC）自动铺带机是在美国空军材料实验计划下由General Dynamics公司和Conrac公司合作开发的，于80年代正式用于航空复合材料构件制造。90年代后，西欧开始研制生产自动铺带机。制造自动铺带机的技术主要被欧美掌控，如美国American GFM Corporation、Cincinnati Machine、CityMachine Tool&Die Company、ITW Workholding、Ingersoll和欧洲的M.TORRES（西班牙）、FOREST-LINE（法国）等。

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3.3、自动铺丝技术
　　自动铺丝，实际上是在自动铺丝+自动缠绕技术基础上发展起来的，专为曲率较大的双曲面蒙皮构件的铺叠而开发的技术，适用于大曲率机身和复杂曲面的成型，如军用和民用飞机双曲面翼身融合体、S形进气道。自动铺丝可以按构件型面增减纱束根数，可根据构件形状自动切纱适应边界，因此废料率很低（3%~8%），可完成局部加厚、加筋、铺层递减、开口补强等操作，铺放轨迹自由度更大，可变角度铺放，能适应大曲率复杂构件成型。
　　老美诺斯罗普•格鲁门公司1995年购进第一台自动丝束铺放机，将其用于F/A-18E/F的进气道、机身蒙皮、平尾蒙皮的制造。2010年将有40~50台机器投入使用。目前自动铺丝技术的代表是美国辛辛那提机床公司Viper纤维铺放机系统，有Viper1200、Viper3000，Viper6000系列铺丝机。

Viper6000铺丝机

　　唉，美国，美国，总是美国。要是有《复合材料自动铺叠技术史》这本书，那目前就只有一个作者——美国。
　　兵器迷爱唠叨，呵呵。
　　看完人家的，再瞧瞧咱自己的。

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国内情况：
　　手工铺叠自动化：目前我国在研和批量生产的航空用先进复合材料构件大部分仍在使用手工铺叠，虽然也通过预浸料自动下料机和激光投影仪，大幅度提高了复合材料构件的铺叠效率，但这两种设备大多需要进口，而且对于大型构件，依然难以保证铺叠质量和速度。
　　国内自动铺带机：中国正在起步研究的阶段。根据航空制造网的公开报道，北京航空制造工程研究所研制的6m×20m大型自动铺带机（如图2），开始在新型飞机的复材构件研制中得到实验性的应用。但就整个行业来说，远未达到规模化应用的程度。
　　国内自动铺丝机：至于更上一层楼的自动铺丝机，尚未见到有国产化设备投入应用的报道。

北航工程研究所研制的6m×20m大型自动铺带机

　　大家看到，手工自动铺叠，咱们在引进条件下推广应用；自动铺带机，咱们落后了30年，现在刚开了个头；自动铺丝机，我们连头还看不到啊！
　　手搭凉棚，望着云端外十万八千里的身影，气喘吁吁的喊道：“猴哥……你等一等啊……!”
　　但是，先行者是不会等咱的，只有自己咬牙赶上去。而技术的追赶，又何尝不是另一个求取真经的“长征”。但愿我们不缺长征的意志和信念，相信我们会有与最强者并驾齐驱的一天。

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4、纤维缠绕设备
　　关于碳纤维复材的成型设备，还需要提一下数控纤维缠绕机。它主要用于强韧性碳纤维通过缠绕，成型为圆筒、圆锥、球、双曲面回转体、组合体回转体等构件，也可以进行矩形截面、多项式等多维复杂曲面和组合体形状结构件缠绕，如火箭发动机壳体、各种弹体、卫星结构件、水处理设备、天然气储罐、医疗防火用压力容器等等。也是国外一直对华禁运的东东。
　　根据《机床工具报》报道，2007年11月，国产大型数控纤维缠绕机在齐齐哈尔第二机床厂问世，其SKCR165/1200型数控纤维缠绕机，为五坐标控制、四坐标联动，是树脂基复合材料缠绕成型构件的大型数控专机。该机包括五坐标控制四坐标联动的缠绕轨迹控制系统、张力自动控制系统、温度自动控制系统和质量保证系统，为中国火箭发动机CFRP壳体的制造奠定了坚实的基础。

设备种类	适用场景	用途示例
手工铺叠自动化	提高手工铺叠准确性和速度	各类小型制件和中型平面制件
自动铺带机	小曲率的大型复合材料构件	大型机翼蒙皮
自动铺丝机	曲率较大的双曲面蒙皮	军用和民用飞机双曲面翼身融合体、S形进气道
纤维缠绕设备	圆筒、圆锥、球、双曲面回转体、组合体回转体	发动机壳体、弹头、容器

自动化铺叠和缠绕设备表

　　最后，中国商务部网站2012年发布消息，隶属於中国航空工业集团公司的西安飞机工业（集团）有限责任公司，收购了奥地利最大的波音飞机配件公司FACC 91.25％的股份。FACC的主要产品，包括复合材料飞机结构件、复合材料发动机结构件、飞机复合材料内饰。希望他山之石，可以攻玉，为提高国内航空复材的生产工艺水平，再添一把力。

FACC公司生产航空复合材料

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小评：
　　无论碳纤维还是碳纤维复材的生产，都有一个重要特征，就是生产的连续化程度非常高，工艺开端是原料，工艺末端是成品，中间几乎没有半成品的概念。这种高度集成的连续化生产，带来了正反两方面的影响：
　　反面：在金属加工行业，工艺落后往往意味着性能降低，但很多时候也能通过钣金加工、铆接、配重、甚至手工打磨修挫做出来。而做出来了，也就能凑合使。但碳纤维领域，工艺落后往往更意味着废品，不仅是性能寿命下降的问题，而是根本就无法使用。因此，碳纤维复材的生产，是“行百里者半九十”的概念——只是在实验室做出复材样品，只和完成了一个概念设计差不多，后面的工艺关，那才是重头戏。设计定型和生产定型因此紧密耦合——几公斤样品，距离用成熟工艺批量生产复材，可差了十万八千里啊。出于同样的原因，复材制件的日常维护、测试、修复的经验、流程与方法，与金属构件相比，也会发生颠覆性改变。
　　正面：在金属加工行业，工艺创新往往带来性能提高；而在碳纤维领域，工艺创新除了提高性能，往往更能够直接带来产品创新。一种新工艺，甚至可以带来CFRP的一个变种产品分类。比如，增强热缩性塑料工艺，形成CFRTP；增强C工艺形成CFRC（也称C/C，就是碳/碳复合材料），增强金属工艺形成CFRM，增强橡胶工艺形成CFRR，等等。又如，整体成型工艺，形成了前所未有的超大壁板和整体段件航空制件。倒过来说，没有对复材工艺的理解和创新，就没有对复材产品的理解和创新。
　　目前，CF的先进工艺，主要把持在日本手里；CFRP的先进工艺，主要掌握在美国人手里。而且其更新和推广的速度之快，令人惊心。而国内在这个领域，如上文所述，依然存在着大片的空白。这些空白直接导致先进复材产品系列的缺失。比如在美国航天航空领域开始规模化采用的金属基和陶瓷基碳纤维复合材料，甚至没有进入2010版的《中国航空材料手册》。换句话说，如果我们不在工艺基础上下功夫，指望着山寨外援、避重就轻、零敲碎打、投机取巧，是无法在航空航天复材上获得全面突破的。
　　金属工艺与复材工艺，完全是两个世界。国内航空业能否在金属工艺领域驾轻就熟的同时，在复材工艺相对陌生的广大空间转换思路、刻苦耕耘、大胆求新，无疑是一个很大的考验。
　　看过了碳纤维和复材的生产工艺，那么中国碳纤维复材的应用水平又如何呢？

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应用篇
一、航空方面的CFRP应用
　　业内一般认为，碳纤维复合材料在军用航空方面的应用大体上可以分为三个阶段（也有按四个阶段分的，差异不大）。民机对安全性、经济性、可靠性要求高于军机，因此在应用上更加保守和延后，但也大体追随了军机的步伐。在此一并介绍。
　　第一阶段——非承力结构：20世纪60-70年代：由于1公斤CFRP可以大体替代3公斤铝合金，性能满足要求，因此开始用于非承力结构，如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件。对于民机，除了上述应用外，机舱大量的内饰也会用到复合材料，但其中有很多是芳纶或者玻璃纤维复材，这里不赘述。
　　国内方面：从难度上说，非承力结构是航空复材的小case，但是应用面却最广泛。国内在技术上已无大的障碍，基本达到了国外类似的水平，需要的是大规模普及。相信ARJ21，C919和运20等大平台和众多无人机小平台定型运营后，能够为此提供广阔的应用空间。
　　这些一般应用，大多用便宜的大丝束产品就够了；而T300以上的产品，贵得离谱，好钢用在刀刃上，于是大多用在承力结构上。
　　第二阶段——次承力结构：20世纪70-80年代：随着力学性能的改善与前期应用的效果提高了人们的信心，CFRP逐步扩展到飞机的次承力结构，即垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等受力较大、尺寸较大的部件。
　　其中，1971年美国F-14战斗机把纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，是复合材料史上的一个里程碑事件。波音B777也将CFRP应用于垂尾、平尾等多处部件，共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。
　　国内方面：
　　中国将CFRP用于军机的舵面和翼面，也已经开始成熟。
　　根据《玻璃钢》等杂志的公开报道，早在“六五”期间，沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg，减重30％。北京航空工艺研究所研制并生产的QY8911/HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。歼轰-7A战机采用了CFRP平尾。
　　2009年建国60周年国防成就展上，报道了歼-10在鸭翼、垂尾、襟副翼、腹鳍等所有7个舵面和腹鳍采用了CFRP材料，这与国外这一阶段的发展水平基本相当。
　　2011年通用航空大会上披露，即将定型的猎鹰L-15高教机也采用了复材的机头罩、方向舵和垂尾，其中舵面是CFRP。
　　在民机方面，ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大体达到了这样一个水平，算是开了个头，但大规模应用尚需时日。

国内某机型基于“π”形接头盒段结构成型的CFRP垂直安定面（航空制造网）

猎鹰L-15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面

　　国内CFRP次承力构件的广泛应用，与T300生产进程密切相关。材料的国产化，产量的扩大化和价格的低廉化，分别为CFRP次承力构件的应用提供可能性、适用性和经济性。从而最终推动CFRP次承力构件成为国产军民航空器的标配。
　　这一阶段的材料和工艺，都是我们用T300和手工铺叠工艺能够达到的，因此未来的发展相对有把握。但如果制件再大些，承力再大些，就会涉及主承力结构了。

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　　第三阶段，从上世纪80年代至今，随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟，CFRP逐步进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。
　　美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑。后期更采用自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮，10块进气管蒙皮，4块水平尾翼蒙皮。F-16战斗机BLOCK50之后也开始采用CRPR复合材料机翼。F-22战机的复合材料用量已经提高到结构重量的22%。目前西方国家军机上复合材料用量约占全机结构重量的20%~50%不等。
　　民机方面，波音777采用全复合材料尾翼，其翼面及翼盒构件，均采用自动铺带技术制造。空客A330/A340飞机长9m，宽2m，重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后机身所有蒙皮壁板19段，22%的机身重量是CFRP。尤其是A380的8*7*2.4米中央翼盒，重8.8吨，CFRP就用了5.5吨，比金属材料减重达1.5吨，其燃料经济性相当可观。
　　这方面的先行者，是波音公司的B787“梦想”飞机，复合材料应用率50%。CFRP广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，同时是第一个同时采用CFRP复合材料机翼和机身的大型商用客机，其23%的机身均使用了自动铺丝机制成的CFRP材料。
　　最值得关注的，是其机身：787机身工艺采用直径5.8m的成型模胎安装在一旋转夹具上沿长轴转动，先铺长桁然后铺皮，形成外表光滑的变厚度的壳体以及共固化的桁条组成的机身段，经过热压罐固化后，取下模胎。这一工艺可以代替由上百块蒙皮壁板、加强筋及长桁、上千个紧固件组成机身的工艺，见下图。

波音787直径5.8米整体成型CFRP框段

　　在研机方面，波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上，诺斯罗普·格鲁门公司的X-47系列飞机也基本上为全复合材料飞机。
　　看完波音的系列CFRP主承力结构产品，兵器迷想问问某些网友，凭哪条说美国是产业空心化，只剩下金融和房地产了？人家居安思危，几句谦虚的自拙之语，被刚进入工业化不久的我们如获至宝般的照单全收，再加以主观放大，作为沾沾自喜的根据，实在不足为取啊。