復(fù)合材料液體成型技術(shù)在飛機上的應(yīng)用及發(fā)展

燃油價格的攀升與飛行航程的增大對飛機結(jié)構(gòu)的先進性和可靠性提出了更加嚴苛的要求。復(fù)合材料憑借其高比強度、比模量以及良好的抗疲勞性，已經(jīng)成為實現(xiàn)飛機輕量化的主要手段之一，也成為了航空制造領(lǐng)域競相研究的方向之一。從20世紀70年代起，先進復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸從結(jié)構(gòu)簡單的次承力構(gòu)件發(fā)展到復(fù)雜的主承力構(gòu)件，并越來越廣泛地被應(yīng)用在各種飛行器的制造上。截止目前，國際先進民機的復(fù)合材料用量已經(jīng)突破50%，燃油效率提高超過20%，質(zhì)量減輕達20%~30%，維護成本下降30%，復(fù)合材料的運用逐漸成為提升新一代大型飛機核心性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，其用量也成為衡量飛機先進性的重要標志。復(fù)合材料用量隨著飛機性能要求的提高而提升，然而，復(fù)合材料的高額成本制約了其應(yīng)用和推廣。據(jù)統(tǒng)計，70%的航空復(fù)合材料構(gòu)件成本來源于制造，降低制造成本是突破復(fù)合材料發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。以液體成型技術(shù)為代表的非熱壓罐制造技術(shù)憑借其諸多優(yōu)勢已成為國內(nèi)外研究的主要方向并被航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料液體成型技術(shù)是指將液態(tài)樹脂注入鋪放有纖維增強材料預(yù)成型體的閉合模腔中，液態(tài)樹脂流動浸潤模腔中的纖維預(yù)成型體，并且排除模腔內(nèi)的氣體，在預(yù)設(shè)的溫度程序下完成復(fù)合材料產(chǎn)品成型的制備工藝。近年來，以樹脂傳遞模塑成型（RTM）、樹脂膜熔滲（RFI）和真空輔助樹脂灌注（VARI）技術(shù)為代表的低成本液體成型技術(shù)成為了航空復(fù)合材料制造領(lǐng)域研究與發(fā)展的重點。1、國外飛機復(fù)合材料液體成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國外飛機復(fù)合材料液體成型技術(shù)發(fā)展起步較早，發(fā)展較快，自20世紀70年代起，美國和歐洲實施了AST、ACEE、ACT、CAI、FUBUCOMP、ALCAS及EDAVCOS等發(fā)展計劃，目的是從設(shè)計理念與方法、制備工藝與手段等多維度創(chuàng)新，提高飛機結(jié)構(gòu)效率和降低制造成本，其中低成本液體成型技術(shù)受到了高度關(guān)注。自20世紀90年代以來，伴隨在航空領(lǐng)域的深入研究，液體成型技術(shù)逐漸體系化。本文從三個維度分析了國外液體成型技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。1.1液體成型技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用相對于熱壓罐成型工藝，液體成型技術(shù)在制造局部厚度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件方面優(yōu)勢顯著。例如四代戰(zhàn)機美國的F-22和F-35等已大量應(yīng)用了RTM技術(shù)制造復(fù)合材料零件，F(xiàn)-22共有400多個復(fù)合材制件用RTM技術(shù)制造，包括機身隔框、油箱框架、彈艙門帽形加強件、尾翼梁和肋以及機翼中介梁、后梁等，約占復(fù)合材料整體用量的1/4，最典型的構(gòu)件是長約4.5m的機翼正弦波形梁。F-35中也大量應(yīng)用了RTM整體成型技術(shù)，如復(fù)合材料垂尾，大大減少垂尾的零件數(shù)，總成本降低60%以上。武裝直升機的中機身結(jié)構(gòu)、地板梁、接頭等結(jié)構(gòu)復(fù)雜制件。實現(xiàn)減重約28%，制造時?？s短42%，縮減工設(shè)計成本約41%。圖1RTM成型AH-64D直升機圖2為國外某機型的箱式結(jié)構(gòu)和三耳片結(jié)構(gòu)的主起落架下拉桿、支架、扭接連桿，上述結(jié)構(gòu)均采用RTM技術(shù)制造。相對于金屬制件，起落架下拉桿實現(xiàn)減重20%的同時成本減少了15%、抗沖擊性能提升。支架和扭接連桿的纖維體積分數(shù)分別可達55%、60%，實現(xiàn)減重40%、30%。圖2RTM成型飛機主起落架為改善結(jié)構(gòu)損傷容限、降低制造成本，美國航空航天局（NASA）推行了“先進復(fù)合材料技術(shù)研究計劃”，目的在于推進新型航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)，探究其設(shè)計、制造方案。該計劃以高速運輸機機身和機翼為攻關(guān)對象，將先進縫合技術(shù)和RFI技術(shù)結(jié)合的方案成功運用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)半翼展機翼壁板的研制，該翼盒由蒙皮、梁、肋、長桁等縫合組成，長度為達12.7m。地面試驗證實其符合設(shè)計載荷要求。1.2液體成型技術(shù)在大尺寸結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用目前問世的最大的復(fù)合材料制件是2007年歐洲防務(wù)公司使用VARI工藝研制的空客A400M大型運輸機的上貨艙門（圖3，長7m，寬4m），由艙門加筋外壁板、高約203cm的側(cè)壁板、九個橫向梁和加筋壁板組成。外壁板尺寸最大，其內(nèi)側(cè)帶16根縱向加強筋。內(nèi)壁板呈窄長形，處于艙門內(nèi)側(cè)的中間位置，起局部提高艙門剛度的作用。VARI整體成型工藝至少減少了用以長桁與蒙皮間連接的約3000個金屬鉚釘，體現(xiàn)出減重效益和經(jīng)濟性。圖3A400M復(fù)合材料上貨艙門作為目前全球最大的RFI整體成型制件，空客A380是成功運用液體成型技術(shù)制造大尺寸制件的另一典型案例（圖4），其中包含復(fù)合材料機身后壓力框、中央翼盒的5個工字梁、副翼翼梁、襟翼。另外，機身后壓力框穹形制件長約6.9m、寬6.6m、高1.5m，內(nèi)涵15個泡沫加筋，整體框架纖維體積分數(shù)達到65%，孔隙率<0.2%。圖4空客A380組件B787飛機尾翼、副翼、襟翼、擾流板、后承壓球面框等構(gòu)件采用了可控壓力樹脂滲透成型技術(shù)制造（圖5），其材料基體為HexFlowRTM6樹脂，增強織物為Hexforce機織12K碳纖維緞紋織物，幾乎達到了預(yù)浸料／熱壓罐技術(shù)成型復(fù)合材料制件的性能。道格拉斯公司利用RTM技術(shù)和縫合增強體技術(shù)制造了帶有加筋結(jié)構(gòu)的機翼和機身蒙皮，據(jù)測算，相對于熱壓罐方法，RTM成型將工藝周期降低了約50%，同時制件獲得了良好的抗沖擊性。圖5B787外副翼加筋壁板1.3液體成型工藝在關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用2019年10月，展示了采用RTM技術(shù)制造機翼蒙皮、翼梁、翼肋等部件的驗證試驗件。洛克希德.馬丁公司通過與IPT公司（InnovativePressureTechnologies）的合作成功研制出借助VARI工藝成型的P-3飛機下翼面整流壁板，該公司還致力于開展VARI技術(shù)在C-5、C-130等大型飛機上運用的驗證。圖6為龐巴迪C系列飛機外翼盒段的壁板和梁部分，該制件采用了熱壓罐輔助VARI液體成型技術(shù)制造，貼近工裝的一側(cè)放置有均壓板，在完成樹脂注射工序后利用熱壓罐施加壓力，進一步減少制件孔隙率，提升綜合性能。圖6熱壓罐輔助液體成型外翼盒段俄羅斯MS-21是世界首件采用非熱壓罐成型工藝制造復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)的干線飛機，該機型中采用ADFP干纖維自動鋪放預(yù)成型體技術(shù)（AutomaticDryFiberPlacement），獲得了較高的纖維體積分數(shù)，其單通道客機機翼盒（圖7）集成了帶加強筋的蒙皮、復(fù)雜彎曲輪廓以及4個不同形狀的長桁，大尺寸達20m×4m，實現(xiàn)減重10%，成本降低30%，能源損耗降低50%，工時減少30%。圖7俄羅斯MS21單通道客機機翼復(fù)合材料技術(shù)難點在過去的半個世紀中得到了較好地攻克，目前可在飛機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大量使用。多年的技術(shù)探索和積累為復(fù)合材料制件作為飛機主承力結(jié)構(gòu)的運用提供了強大助力。可以認為，世界航空技術(shù)發(fā)達國家已經(jīng)具備大量應(yīng)用復(fù)合材料飛機構(gòu)件的技術(shù)基礎(chǔ)和條件。。2\國內(nèi)飛機復(fù)合材料液體成型技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀國內(nèi)航空復(fù)合材料的研究和發(fā)展始于20世紀70年代，自1983年強5飛機使用復(fù)合材料以來，國內(nèi)飛機復(fù)合材料應(yīng)用經(jīng)歷了從天線罩、口蓋等非承力構(gòu)件到垂尾、方向舵、副翼等次承力構(gòu)件上的發(fā)展歷程，并在C919的中央翼盒上開展了主承力結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用嘗試。隨著制造技術(shù)的逐漸成熟，制造成本居高不下逐漸成為了復(fù)合材料工程化應(yīng)用進一步擴大的瓶頸，相應(yīng)的，以液體成型為代表的低成本制造技術(shù)的研究及應(yīng)用隨之逐漸增多。中航復(fù)材采用VARI技術(shù)成功制造了尺寸達5.5m的夾芯結(jié)構(gòu)的壁板試驗件，并在傳統(tǒng)VARI技術(shù)的基礎(chǔ)上開創(chuàng)了高纖維體積分數(shù)真空轉(zhuǎn)移成型技術(shù)，利用該技術(shù)制造出了纖維體積分數(shù)大于56%的加筋壁板，成功用于飛機艙門下壁板。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了VARI技術(shù)專用的BA9911、BA9912和BA9914樹脂體系，在多項航空典型結(jié)構(gòu)部件中得到了成功運用，其纖維體積分數(shù)可達58%以上。此外還針對民機襟翼結(jié)構(gòu)開展了干態(tài)纖維增強預(yù)成型體滲透行為研究、液體成型專用樹脂體系開發(fā)、樹脂流動控制及成型工藝等研發(fā)工作，成功制造出民機襟翼制件（圖8）。圖8是利用高纖維體積分數(shù)真空轉(zhuǎn)移成型技術(shù)制造的民機襟翼。圖8真空轉(zhuǎn)移成型技術(shù)制造的民機襟翼航空工業(yè)復(fù)材中心針對工型加筋壁板、多肋泡沫夾心/縫合整體壁板結(jié)構(gòu)開展了液體成型技術(shù)研究與應(yīng)用探索，開發(fā)出了適用大型整體結(jié)構(gòu)RTM的高效樹脂流動控制技術(shù)、高加筋壁板RFI樹脂流動控制技術(shù)，利用該技術(shù)研制出高度達到220mm的加筋壁板。此外還開發(fā)了幾乎覆蓋全溫域航空復(fù)合材料要求的RTM、RFI和VARI全系列樹脂體系，涵蓋了環(huán)氧、雙馬、聚酰亞胺等樹脂種類。其中，3228、BA9912中溫液態(tài)成型環(huán)氧樹脂、5284RTM高溫液態(tài)成型環(huán)氧樹脂、QY8911-ⅣRTM液態(tài)雙馬樹脂等綜合性能堪與國外先進技術(shù)相媲美。中國商飛針對工型肋、C型肋、飛機隔框液體成型技術(shù)開展了研究，并積極探索液體成型技術(shù)在民機領(lǐng)域的應(yīng)用。目前已成功利用VARI技術(shù)制造了水平尾翼、整流罩、升降舵、方向舵、擾流板等結(jié)構(gòu)。為了解決陰模成型T型加筋壁板加筋區(qū)注膠難度大、工藝穩(wěn)定性差、制件表面質(zhì)量不理想等問題，中國商飛借助了泡沫加筋芯與纖維鋪覆導(dǎo)向板對加筋區(qū)尺寸進行精確控制，并結(jié)合了鋼制均壓板，成功制造出表面質(zhì)量良好的泡沫填充T型加筋壁板。北京航空制造工程研究所相繼開展了纖維預(yù)成形體滲透特性、樹脂流動控制、樹脂體系研發(fā)等工作，開發(fā)出VARI專用樹脂，并成功制造了纖維體積分數(shù)達58%的帽形泡沫夾芯構(gòu)件，在多個項目上開展了實驗驗證和裝機運用。在VARI成型關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域已有所突破，相繼開展了VARI樹脂體系開發(fā)、增強材料參數(shù)研究、預(yù)成型體縫合、VARI成型升降舵模擬及樣件研制和無損檢測工作。此外，該單位還開展了截面工型肋結(jié)構(gòu)零件RTM工藝注射方案研究，并成功制造了表面質(zhì)量良好的試驗件。國內(nèi)某大型民機制造商在借助液體成型技術(shù)制造工型肋、升降舵壁板、機翼口蓋構(gòu)件方面取得了顯著進展。該單位還成功制造了國內(nèi)首個液體成型3m機身壁板，利用熱隔膜工藝在激光加熱自動鋪絲機的輔助下制造出帽型長桁預(yù)成型體，再借助VARI工藝實現(xiàn)預(yù)成型體與干纖維蒙皮組合件的整體注膠與固化。航空工業(yè)沈飛利用RTM技術(shù)制造了全尺寸復(fù)合材料異型正弦波形梁，并研究了工裝結(jié)構(gòu)、樹脂注射壓力等因素對制件質(zhì)量的影響規(guī)律。航空工業(yè)惠陽螺旋槳廠采用編織-RTM技術(shù)成功制造發(fā)動機螺旋槳葉片。航空工業(yè)成飛利用RTM一次成型技術(shù)研制出了多腔隔板框梁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品表面精度達到了±0.25mm，隔板位置精度高于±0.5m。此外，該單位還承擔了RTM工藝A350擾流板工作包的研制。北京民用飛機技術(shù)研究中心開展了復(fù)合材料加筋壁板結(jié)構(gòu)液體成型技術(shù)研究。航空工業(yè)西飛針對MA700擾流板液體成型工藝開展了研究，系統(tǒng)性的研究了不同結(jié)構(gòu)的樹脂滲透率、泡沫結(jié)構(gòu)對滲透行為的影響規(guī)律等，研制出了MA700典型結(jié)構(gòu)擾流板，但最終因適航難度大、周期長等問題，最終依然采用了熱壓罐成型工藝方案。雖然液體成型技術(shù)早國內(nèi)航空復(fù)合材料制造領(lǐng)域相關(guān)研究持續(xù)進行，但液體成型技術(shù)的應(yīng)用還沒有真正得到大范圍工業(yè)化推廣的程度，且相對于預(yù)浸料熱壓罐成型技術(shù)的發(fā)展水平差距依然較大。具體來說，目前還局限于次承力結(jié)構(gòu)的探索階段，主承力結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與國外先進制造技術(shù)差距較大，在干態(tài)纖維自動鋪放等自動化制造方面研究較少，預(yù)成形體設(shè)計和成型技術(shù)水平欠缺，且缺少相關(guān)的材料技術(shù)體系。目前依然為多品種小批量生產(chǎn)模式，不具備穩(wěn)定批產(chǎn)的條件，無法發(fā)揮液體成型低成本的優(yōu)勢。3、航空復(fù)合材料制造技術(shù)發(fā)展趨勢3.1復(fù)合材料零件趨于大型化、整體化大量的裝配零件和設(shè)備、人工成本占據(jù)航空復(fù)合材料零件總體制造成本的近45%，且金屬緊固件的使用不利于飛機結(jié)構(gòu)的輕量化。目前廣泛采用的預(yù)浸料/熱壓罐工藝需要大量的復(fù)雜工藝步驟才能實現(xiàn)復(fù)合材料零件整體的成型，技術(shù)難度較大。這也是復(fù)合材料構(gòu)件成本居高不下的重要原因之一。因此，利用非熱壓罐技術(shù)實現(xiàn)整體化成型是降低復(fù)合材料制件制造成本、提高制造效率行之有效的方式。可以預(yù)見，未來飛機結(jié)構(gòu)中將大規(guī)模使用液體成型技術(shù)制造的復(fù)合材料零部件。3.2復(fù)合材料零件制造趨于自動化自動化制造技術(shù)仍是復(fù)合材料領(lǐng)域未來的重要開拓方向，自動鋪放技術(shù)為復(fù)合材料零件機械化、自動化生產(chǎn)助力良多，其制件成型精度、質(zhì)量和合格率均比較理想，生產(chǎn)效率較手工鋪放提高數(shù)十倍。為進一步提升復(fù)合材料制造的自動化水平，各大主機廠及科研院所陸續(xù)采購了自動鋪帶機、熱隔膜成型機等自動化設(shè)備，并積極開展相關(guān)工藝技術(shù)研究，例如，西安飛機工業(yè)股份有限公司針對陽模成型冒形長桁的自動鋪絲工藝開展了研究，提升生產(chǎn)效率的同時提高了結(jié)構(gòu)可靠性。3.3復(fù)合材料制造低成本化復(fù)合材料的高制造成本目前是限制其進一步應(yīng)用與發(fā)展的主要因素之一，許多國家陸續(xù)制定和實施低成本復(fù)合材料計劃，推動復(fù)合材料低成本化成為核心研究問題。原材料、設(shè)計制造、使用維護構(gòu)成了航空復(fù)合材料成本，以液體成型為代表的復(fù)合材料低成本技術(shù)可從降低制造成本角度助力于航空復(fù)合材料整體成本的下降。4、液體成型技術(shù)的發(fā)展趨勢4.1結(jié)構(gòu)應(yīng)用從次承力到主承力受限于技術(shù)和設(shè)備先進性，國內(nèi)的復(fù)合材料液體成型技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初步階段，產(chǎn)品也多集中在次承力結(jié)構(gòu)中。隨著液體成型技術(shù)纖維體積分數(shù)提升等關(guān)鍵性技術(shù)的逐漸突破，液體成型技術(shù)在主承力航空復(fù)合材料部件中的應(yīng)用也將成為必然趨勢。4.2從手工鋪貼到干態(tài)纖維自動鋪帶在液體成型技術(shù)中，以干纖維自動鋪放，干纖維自動鋪縫為代表的自動化預(yù)成型、注膠模擬仿真分析等先進自動化輔助技術(shù)的運用也成為一個明顯趨勢，這一趨勢將顯著提升復(fù)合材料成型的設(shè)計性、可控性和制品質(zhì)量。4.3原材料的專用化為了更好的滿足液體成型技術(shù)樹脂原料所需的“一長”、“一快”、“兩高”、“四低”的要求。開發(fā)區(qū)別于熱壓罐成型工藝的專用樹脂體系是適應(yīng)和推動液體成型技術(shù)在航空領(lǐng)域運用的必然趨勢。例如波音公司開發(fā)的SI-ZG-5A樹脂、SP公司開發(fā)的VARTM專用系列環(huán)氧樹脂PRIME20、航天特種材料及工藝技術(shù)研究所研發(fā)的6818環(huán)氧樹脂等均在液體成型航空復(fù)合材料制件中有了成功的實踐。4.4液體成型派生新技術(shù)為了進一步降低成本，擴大適用范圍，新型的液體成型技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，例如利用柔性模膨脹的柔性輔助RTM技術(shù)成功制造了空心結(jié)構(gòu)。美國陸軍研究實驗室與高校合作開發(fā)了共注射樹脂傳遞模塑（CIRTM）技術(shù)，在提升產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完整性和性能的同時可實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的一次性成型，大大提升了生產(chǎn)效率。開發(fā)了磁力強化的VA-RTM技術(shù)（真空輔助樹脂傳遞模塑），通過設(shè)置在在真空袋上下兩側(cè)的磁體和磁性下膜的磁力壓縮作用使得制件中的孔隙率由傳統(tǒng)VA-RTM的6%降至