树脂基碳纤维复合材料成型工艺现状及发展方向.pdf

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1、 论 坛F。R u 树脂基碳纤维复合材料 成型工艺现状及发展方向 Cu r r e n t S t a t u s a n d De v e l o p m e n t Tr e n d o f Ep o x y Re s i n Ca r b o n F i b e r Re i n f o r c e d Co mp o s i t e s Fo r mi n g Pr o c e s s 西北工业大学 蔡闻峰周惠群于凤丽 蔡闻峰 2 0 0 6 年毕业于西北工业大学航空宇 航制造工程专业。获工学硕士学位。现 任西北工业大学无人机研究所工程师，主要从事小型无人机制造工艺技术研 究，曾主持过

2、多个型号无人机的工艺技 术 工作。主要研究方 向为飞机装配理论 与技术，复合材料结构制造 计算机辅 助技术 检测技术等。发表论文 1 0 余 篇。现代飞机复合材料构件制造技 术正向着以共 固化 共胶接为核心 的大型整体复合材料结构件为对象，以低成本为目的，以 自动化和数字化 制造技术相结合为手段的方向发展。为保证我国大飞机研制项 目的顺利 5 4 航空制造技术 2 0 0 8年第 1 0 期 现代飞机复合材料构件制造技术正向着以共固化 共胶接为核心的大型整体复合材料结构件为对象，以低成 本为目的，以自动化和数字化制造技术相结合为手段的方 向发展。实施，精化传统复合材料制造模式，进行现代复合材料

3、飞机构件制造技 术的研究与扩大应用是十分必要的。与金属材料相比，高性能纤维复 合材料成本高，所以必须在纤维复合 材料结构件制造过程中广泛实现 自 动化和数字化相结合的现代复合材 料制造技术，以达到降低飞机全寿命 周期内成本的目的。国外飞机碳纤维复合材料 制造技术现状 1复合材料用量大幅提高 目前，国外新一代军机和民用运 输机已普遍采用高性能树脂基碳纤 维复合材料，第四代战机复合材料用 量 占飞机结构重量的 2 0 5 0，干线客机约为 1 0 5 0。以波音 7 7 7为例，在其机体结构 中，铝合金占 7 0、钢 1 1、钛 7，复 合材料仅 占到 1 1，而且复合材料主 要用于飞机辅件。但到

4、波音 7 8 7 时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其 用量已占到结构重量的 5 0，不仅数 量激 增，而且 已用于 飞机 的主承力构 件。2构件集成化 整体化、大型化 复合材料是大型整体化结构的 理想材料，与常规材料相比可使飞机 减重 1 5 3 0，结 构设计成本降 低 l 5 3 0，制造成本大幅降低。复合材料还克服了金属材料容易出 现疲劳和被腐蚀的缺点，增加了飞机 的耐用性，改善 了飞机的维修性，同 时也带来了飞机客舱的舒适性。美 国 CAI 计 划将复合材料 结 构整体成型技术列为其最主要的关 键技术之一，并于 2 0 0 1 年开始用于 F-3 5(J S F)的验证上。在波音 7

5、 8 7之前，飞机的机身段 由约 2 5 0 0 个 配件、3 万个螺钉组装 起来，现在通过采用集成化的整体机 身结构，使生产方式更简单、更可靠，且显著减 少了零件数 目，减重约达 2 0。3制造设备大型化 维普资讯 http:/ 维普资讯 http:/ 论 坛 u 造工艺、设计方法与手段严重落后等 问题，且差距有进一步拉开的趋势。1复合材料用量不高 当波音、空客等新机型大规模采 用复合材料后，我国目前仅掌握金属 飞机的研制能力，复合材料只能少量 地用在飞机辅件上，在主结构上的应 用还需进一步研究。国 内 1 9 8 5年 制成 的歼 8、强 5 机 垂直 尾翼 壁板 及垂直 尾翼 使用过 树

6、脂基碳纤维复合材料。国产客机、运输机主、次承力构件没有使用复合 材料的相关报道。国内直升机领域 复合材料使用比例较大，直九复合材 料使用率达到了 2 3 左右。国内无 人机 因尺寸较小，复合材料用量较 大，一 般在 5 0 8 0 之 间，如 爱生 系列 无人机。2碳纤维依赖进 口，国产化程度低 我 国自2 0 世纪 6 0 年代开始碳 纤 维研 究开 发，至 今 已有近 4 0年 的 历史，但进展缓慢，无论军用、民用碳 纤维均不能自给，同时由于发达国家 对我国几十年的技术封锁，至今没能 实现大规模工业化生产，仅有的生产 厂家还面临国际的竞争和挤压，举步 维艰。尤其是像 T8 0 0 这样被广

7、泛 应用于飞机制造的复合材料，我国还 不能生产。国产化的 T3 0 0复合材 料还在研制之中。工业及民用领域 5 6 航空制造技术 2 0 0 8 年第 1 0期 的需求长期依赖进 口，严重影响了我 国高端技术的发展，尤其制约了航空 航天及 国防军 工事业 的发展，与我 国 的经济社会发展进程极不相称。3制造设备尺寸小且多数依赖进口 国内用于复合材料生产的主要 关键设备与我国要开展的大飞机结 构尺寸相比，设备尺寸小，且大多数 依赖进口。如西飞用于飞机复合材料制造 的主要设备热压罐是从德 国 S c o t c h 公 司引进 的 3 5 m X 1 0 m 热 压罐，有效 长度为 1 0 m，

8、直径 为 3 5 m，与 欧美等国家相比，差距仍然较大。哈飞用于先进复合材料生产的 主要设备，如固化炉、大型热压罐、复 合材料数控下料铣、激光铺层定位系 统、自动铺带 机、RTM 成型设备、缝 合设备以及先进的无损检测设备等 基本上是从 国外进 口的。4工艺落后，自动化和数字化水平低 以树脂基碳纤维复合材料飞机 结构件为例。传统的生产工艺采用 预浸料铺 层干法成型工艺，在热 压罐 或烘箱中加热、加压固化成型机体复 合材料构件。固化、脱模、修整后的 构件 经 无损检 测验证 合 格后进 入 下 道装配工序。合材料零件修整过程中打磨和切割 裁边时产生的 固体粉尘，固体边 角 料；胶接过程产生的废气

9、等，这些因 素都增加 了产品的制造成本，并对环 境造成了破坏。自动铺带机、自动丝束铺放机、柔性数控气动卡具的 出现部分解决 了手工铺放质量不易控制的缺点。不过，到 目前为止，仍不能完全采用 自动化设备来替代手工铺放。同时，热压罐法成型生产周期长，设备费用 高，能源消耗大，成本高，由于复合材 料零件的整体尺寸越来越大，所需的 热压罐尺寸跟着加大，成本问题也随 之突 出。综上所述，我国树脂基碳纤维复 合材料制造存在着原材料和制品的 成本 昂贵、制品成型工艺陈旧、复合 材料 回收再利用困难等问题亟待研 究解决。结论与建议 1 建立适合国情的复合材料研发模 式 与欧美国家相比，我国复合材料 制造技术各

10、方面都存在 较大差距，主 要原因是我 国科技转化为生产力的 水平较低。与欧美航空工业相比，我 传统复合材料成型工艺的缺点 是手工下料、手工铺放，能耗高，生产 成本高，质量不易控制，不环保。在 整个工艺过程 中产生 的废料 包括：预浸料、胶膜、蜂窝下料过程 中形成 的边角料；固化过程产生的废气；复 国航空企业还没有成为 真正的科技转化生产力 的主体，科技转化为生 产 力体制、机制的最佳 模 式还没 有形成。为此，需 建立复合材料 发展战 略，有组织、有规 划地进 行研究和创新，同时应 加 大 对 相 关 企 业 的 投 入，完善科研机制，实行 设计制造一体化，提高 飞机研制的频度，建立科技转化生产 力体制、机制的航空工业最佳模式。2实现高性能、高质量碳纤维国产化 随着我国经济的快速发展，碳纤 维的需求与日俱增，虽然国际上一些 公司的 T3 0 0级原丝和碳纤维产品 维普资讯 http:/ 维普资讯 http:/