航空工业复合材料制件成型工艺进展
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作者: 陈跃鹏 武永琴
【摘 要】复合材料因其突出的性能，广泛的应用于航空工业的制造中。复合材料成型工艺的研究成为了当今复合材料领域的热点问题。并且成型工艺在逐渐的发展和改进，现就航空工业复合材料制件成型中的关键性工艺的进展进行阐述。
【关键词】航空工业;复合材料;成型工艺
1.复合材料
复合材料不同于传统的工艺材料，是将两种或者两种以上具有不同性能和形态的组分材料经过复合手段的组合而得到的一种新型的多相材料。各种组分材料能够在性能上取长补短，获得良好的协同效应。复合材料自20世纪40年代发展以来，因其具有的普通传统材料所不具备的高比强度、高硬度、耐疲劳、破损安全性高和可设计性等各项突出的性能，很快获得了广泛的应用。根据结构特点的不同复合材料又能分成纤维增强、细粒等多种复合材料。
2.复合材料在航空工业中的应用
由于复合材料的热稳定性强，又具有高比强度和高比刚度、可设计性等优良的性能，成为航空工业制造中常用的4大材料之一。常用于航空航天这种尖端技术所用的复合材料是经过改良的先进符合材料，用于航空工业设计的是以各种不同的高性能纤维为增强材料的先进复合材料。根据聚合基不同得到的材料性能也有所差异。由于树脂基复合材料其突出的高比强度和高比刚度使其成为最早应用于航空工业并且保持最大应用量。但该材料工作温度受限于400℃，飞机发动机上的大量零部件需要再长期的高温环境中工作，因此常用碳复合以及陶瓷复合而成的耐高温性能优越的金属基材料。使用的复合材料在航空工业制造中所占比重大，所应用的部位有垂直和水平尾翼、机身和机翼蒙皮。复合材料性能和制造技术在不断改进以更好的应用于未来的航空工业中。
3.航空工业复合材料制件成型工艺
传统的复合材料结构的制造过程大多由人力完成,这种手工操作方式致使制件的精度难以保证，而且耗费巨大，生产效率低下。所以降低复合材料制件工艺的成本致使了自动化生产技术的发展。尤其在航空工业中，制备复合材料制件过程需要具有高度的自动化以及较好的质量控制，降低模具成本并且要缩短生产周期。这些要求都需要先进的制件成型工艺来保证达到。用于航空工业的复合材料制件成型的工艺有：编制技术；固化工艺；铺带技术；非热压罐技术等。下面就常用的重要工艺的发展进行简要的阐述。
3.1常用于复合材料预成型的工艺
3.1.1编制工艺
编织工艺中包含有编织、针织、经编等工艺。
编织工艺一般分为二维和三维两种不同的工艺。能够运用于精细复杂形状的制件成型，传统的二维工艺在航空工艺的应用主要由飞机进气道和机身J型隔框等这种制造较为复杂的零件。但是该技术编织的构件厚度方面强度低，为了克服该问题促使了三维编织工艺的出现和发展，该技术在未来的飞机制造业中具有很大的应用潜能。
针织工艺
针织是较为传统的工艺，该工艺得到的复合材料抗冲击力强，方向强度好，并具有较大的伸长性，能够用于非承力的复杂形状构件的制造。借助于该工艺将定向纤维加入材料中能够增强特定部位的机械性能。
经编工艺
经编工艺其实真正采用的是针织技术，之所以称为经编是将采用经向针织技术，该工艺获得的多层编织物中的纤维能够定向，并且能节约铺放的纤维，经济效益高。该技术并没有广泛的应用于航空工业制造中，但是正在研究将该技术运用到次承力以及主承力构件的制造中。
3.1.2缝合和穿刺工艺
缝合工艺取代了传统的机械连接方法，得到的纺织复合材料是将多层的二维材料织物用高性能纤维以及工业用的缝合技术缝合得到，采用的高性能纤维贯穿厚度方向因此材料的抗分层能力、抗剪切力、抗冲击力等性能提高，从而缝合复合材料能够提高材料的整体性能。运用在航空工业中的大型军用运输机的机体结构件的制造不仅大大减轻了机体重量并降低了制造成本。
穿刺工艺。虽然该技术无法用于制造预成型体但是在很多方面是优于缝合技术的，该技术避免了高成本缝合机的使用，一般采用真空袋热压或者超声技术把薄的削片穿刺进为固化的二维碳纤维复合材料板中，从而组合成三维的加强复合材料。而且制得的复合材料不受尺寸的限制，这使得该技术能够广泛的对飞机制造中局部的材料进行加强。
3.2复合材料零件成形的工艺
3.2.1纤维缠绕工艺
该工艺是复合材料自动成型的最初工艺形式，该工艺主要用于圆形及椭圆零件，如火箭发动机壳体。该技术已经发展较为成熟，但是无法用于非圆柱结构件的制造成型。
3.2.2树脂浸渍工艺
该综合工艺中的关键工艺在于三维编织及缝合等技术预成型、编织缝合工艺、树脂流动模拟及控制等。该技术在航空领域常应用于飞机雷达天线罩的制造。该工艺有高温要求。该技术采用的材料是树脂以及纤维预制体，在高温环境下树脂形成树脂膜或者稠状的树脂块填满三维编织获缝合成的纤维预制体，经固化得复合材料制件。
3.2.3自动铺放工艺
自动铺放技术是数控机床、材料工艺技术和软件技术的综合体，已广泛应用于现代飞机制造业中。但是由于受计算机技术的限制，现在的自动铺放技术虽在速度和精确度上有提高但是铺放面积仍是瓶颈问题。
3.2.4丝束铺放工艺
丝束铺放是近些年被高度重视的新技术。因为该技术集成了自动铺放的数控性以及纤维缠绕工艺的操作简单等一系列的优势。能够减少生产成本，并能制造复杂的无纤维角度限制的构件。必将在未来的航空工业中大有可为。
4.总结
复合材料在航空工业领域将日益发挥重要的作用，复合材料制件成型工艺在逐步的发展和完善的进程中，但是工艺中尚存的许多瓶颈技术如：成本过高、制件机械性能差等仍困扰着复合材料的大量应用。仍需要进一步的研究来解决工艺中的问题，使复合材料能更好的应用在航空工业领域。
参考文献
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