高端復合材料制造裝備應用及發(fā)展

高端復合材料制造裝備應用及發(fā)展復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。先進復合材料自問世以來，由于其輕質(zhì)、高強、耐疲勞、耐

腐蝕等諸多優(yōu)勢，在航空、航天、造船、汽車和風電等工業(yè)領(lǐng)域得到高度重視，而且這種趨勢仍在繼續(xù)。如圖1所示。先進復合材料應用于飛機結(jié)構(gòu)中可減重20%～30%，因此復合材料在軍民用飛機上的用量逐年增加，大型飛機尤為突出（A380用

60.5噸、占25%，787用25噸、占50%）。且其裝機應用水平已成為現(xiàn)代航空裝備先進性的標志。

圖1國外飛機的復合材料用量年譜

先進復合材料最近10年在航空航天、汽車、船舶、風電上井噴式的應用，已經(jīng)證明了先進復合材料在未來航空航天、汽車、船舶、風電等領(lǐng)域的重要地位。先進復合材料制造裝備顯的尤為重要，自動化制造、檢測裝備可增加復合材料用量、提高制造技術(shù)水平、保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本的關(guān)鍵，是武器裝備用復合材料構(gòu)件快速研制與大批量穩(wěn)定生產(chǎn)、實現(xiàn)敏捷制造的必由之路。

一、復合材料制造工藝及主要設備

先進復合材料裝備是重要的基礎制造裝備之一，其水平從一個方面反映了國家制造裝備的整體水平。目前，復合材料裝備制造技術(shù)已發(fā)展成為集材料、冶金、結(jié)構(gòu)、力學、電子等多學科為一體的先進技術(shù)。

復合材料制造裝備工藝及檢測方法主要有：手動鋪層、預浸料和預制體成型、纖維纏繞成型、自動鋪帶（ATL）、自動絲束鋪放、熱壓罐固化成型、三維縫合成型、復合材料液體成型、隔膜成型、復合材料制件加工及裝配、復合材料自動化無損檢測等。

與復合材料制造裝備工藝及檢測方法相對應的制造裝備主要有：預浸料制造裝備、預浸料自動裁剪設備、預制體成型裝備（如圖2所示）、纖維纏繞成型設備、自動鋪帶、自動鋪絲機（如圖3所示）、熱壓罐成型裝備、三維縫合成型裝備（如圖4所示）、復合材料液體成型裝備、隔膜成型裝備、機器人制孔系統(tǒng)、自動鉆鉚設備、超高壓水切割設備、超聲C掃描檢測系統(tǒng)等。

圖2國外預制體成型裝備

圖3Viper6000大型ATP機，代表了當今自動絲束鋪放最高水平

圖4美國研制三維縫合成型裝備

二、復合材料制造檢測裝備的應用

復合材料制造檢測裝備在航空航天、汽車、船舶及風電等領(lǐng)域的應用之處如下：

（一）預浸料制造裝備、預浸料自動裁剪設備、纖維纏繞成型設備、自動鋪帶機、自動鋪絲機。適用于各種復雜零部件的成型制造，例如航空航天器中采用復合材料的垂尾、腹鰭、空中受油飛機的S型受油管；直升機機身結(jié)構(gòu)件（尤其是大開口構(gòu)件）、縱列式重型直升機協(xié)調(diào)軸；輕型飛機機身；S型進氣道、發(fā)動機機匣；大開口衛(wèi)星承力筒、構(gòu)架式衛(wèi)星構(gòu)架節(jié)點接頭、大型運載火箭殼體、帶裙固體火箭發(fā)動機以及民用氧氣瓶、壓力容器等復雜型面零件。汽車結(jié)構(gòu)件、功能件、覆蓋件的成型制造。船用螺旋槳、船體部件的成型制造。風電領(lǐng)域大葉片的成型制造。

（二）熱壓罐成型裝備。熱壓罐可用于金屬/非金屬膠接構(gòu)件和樹脂基高強度玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維等復合材料制品。如飛機艙門、整流罩、機載雷達罩，支架、機翼、尾翼等，汽車結(jié)構(gòu)件、功能件、覆蓋件；船用螺旋槳、風電領(lǐng)域大葉片等。

（三）三維縫合成型裝備。適用于各種復雜零部件的預成型制造，例如航空航天器中采用復合材料的垂尾、腹鰭、空中受油飛機的S型受油管；直升機機身結(jié)構(gòu)件（尤其是大開口構(gòu)件）、縱列式重型直升機協(xié)調(diào)軸；輕型飛機機身；S型進氣道、發(fā)動機機匣；大開口衛(wèi)星承力筒、構(gòu)架式衛(wèi)星構(gòu)架節(jié)點接頭、大型運載火箭殼體、帶裙固體火箭發(fā)動機以及民用氧氣瓶、壓力容器等復雜型面零件。汽車結(jié)構(gòu)件、功能件、覆蓋件的預成型制造。船用螺旋槳、船體部件的預成型制造。風電領(lǐng)域大葉片的預成型制造。

（四）機器人制孔系統(tǒng)、自動鉆鉚設備?？捎糜陲w機的機翼、機身、艙口、尾翼及機身的加工及連接。

（五）超高壓水切割設備?？捎糜陲w機制造中的復合材料壁板切割的切割。

（六）超聲C掃描檢測系統(tǒng)。航空航天、汽車、船舶和風電領(lǐng)域中采用復合材料制作的構(gòu)件（尤其是大型復雜曲面）進行檢測。

三、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在國外，復合材料制造、檢測裝備已經(jīng)達到實用階段，如美國辛辛那提機床公司Viper6000大型ATP機，代表了當今自動絲束鋪放最高水平。德國凱爾曼特種機械制造有限公司是世界上唯一生產(chǎn)復材縫合設備的制造公司，擁有多項專利技術(shù)，也是目前世界航空航天工業(yè)領(lǐng)域復材縫合加工設備市場占有率高達95%以上的企業(yè)。世界各大航空企業(yè)都是凱爾曼的客戶，從歐洲的空中客車公司，歐洲直升機公司，美國的波音飛機公司到中國的哈爾濱飛機制造集團，北京的航空制造工程研究所都是他們的客戶，都應用凱爾曼的設備生產(chǎn)最先進的復材輕型節(jié)能飛機。意大利特魯茲公司的熱壓罐已經(jīng)被用于歐洲阿麗亞娜火箭和空客A380，A320，A316和A400M軍用運輸機的復合材料部件制造，迄今特魯茲已為用戶提供600多套熱壓罐，并已進軍中國。

目前，國內(nèi)復合材料低成本產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)水平較低，特別是高端的航空航天產(chǎn)品的低成本制造，目前僅停留在實驗階段，這也從一個側(cè)面反映出我國復合材料產(chǎn)業(yè)的總體現(xiàn)狀和水平。雖然復合材料加工的中小型民營企業(yè)數(shù)量巨大，但都普遍存在諸如生產(chǎn)工藝落后，產(chǎn)品多為來樣加工，缺乏自主設計能力，無嚴格的質(zhì)量檢驗體系，生產(chǎn)過程對空氣污染嚴重，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工人缺乏必要的防護服等著一系列的問題。國內(nèi)主機場、航空發(fā)動機廠商使用復合材料制造、檢測裝備全部靠國外進口，成本相當昂貴。

四、前景分析

在航空航天和國防工業(yè)領(lǐng)域中，航空材料專家曹春曉院士指出：50%復合材料是新型飛機復合材料用量的起點，飛機用材料正由鋁合金時代進入復合材料時代。中國商用飛機有限責任公司專家咨詢組2021年9月10日的咨詢報告指出：“復合材料應用是當代大型民機的一項關(guān)鍵技術(shù)，大量使用復合材料是減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率，提高民用飛機的經(jīng)濟性、舒適性，體現(xiàn)先進性的重要舉措?！蔽覈笮涂蜋CC919基本型的復合材料設計用量2021年為15%、2021年達到23%，接近A380復合材料用量25%的水平。

在汽車領(lǐng)域中，隨著汽車復合材料應用水平的不斷提高，復合材料單車用量將逐漸增加。2021年我國汽車工業(yè)所需塑料、復合材料總量約為72.2萬噸，2021年將達到150-180萬噸。隨著成形技術(shù)與裝備的不斷發(fā)展，復合材料汽車零部件在汽車領(lǐng)域的應用將日益擴大。

在船舶領(lǐng)域中，到目前為止，大中型船艇的船體和上層建筑等多采用玻璃鋼制造，而高性能船舶，如軍艦等也開始逐漸采用先進復合材料進行生產(chǎn)和制造。船舶上使用復合材料的比例逐漸升高，制造的復合材料船舶也越來越大，并且力學性能要求比較高的螺旋槳也開始采用復合材料制造，復合材料在船舶與海洋行業(yè)的發(fā)展趨勢正在不斷的加速。

在風電領(lǐng)域中，隨著風機容量增加，葉片長度不斷增大，同時對葉片的制造技術(shù)及葉片的材料會提出新的更高要求，比如，隨著葉片長度的增加，高性能碳纖維的用量會越來越多。風電行業(yè)上的應用，風機正在向著大型化發(fā)展，相應地對葉片材料也提出了更高的要求，復合材料高比強度、高比剛度特性滿足了風機葉片對強度和剛度的要求。風機的用材也正由玻璃鋼向碳纖維復合材料或混合復合材料轉(zhuǎn)變，風電行業(yè)的快速發(fā)展，對復合材料的需求也會越來越大。

五、結(jié)束語

先進復合材料在航空航天、汽車、船舶、風電上井噴式的應用，已經(jīng)證明了先進復合材料在未來航空航天、汽車、船舶、風電等領(lǐng)域的重要地位。先進復合材料制造裝備可保證材料的用量、制造技術(shù)水平、產(chǎn)品