复合材料帮助中国新战机提高隐身性能
发布时间：2015-01-29 浏览次数：
梁宪珠，研究员，中航复合材料有限责任公司副总工程师，中航工业基础院复合材料构件制造技术专业首席专家。长期从事树脂基复合材料技术的研究工作，先后负责了多项预研和重点型号攻关等重大课题的复合材料制造技术研究工作。对热压罐成型的工艺影响因素、复合材料结构的工艺适用性、工艺逐步放大方法与系列翼面/机身结构的验证等方面进行了系统研究。开发了典型壁板/盒段整体化结构制造技术，研制出了ZXC系列增强芯材，配合设计为我国三代机复合材料结构的研制与定型批量生产，为新型战斗机复合材料结构的研制与小批生产做出了突出贡献。先后共获得国防科技进步一等奖1项，二等奖1项，三等奖1项，集团科技进步一等奖5项，二等奖2项；荣获集团一等功1次，二等功4次，三等功1次；并获多项国防和发明专利。
热压罐固化复材为利器——复合材料及热压罐成型技术
轻质、高效和低成本是飞机结构追求的目标。先进复合材料(以下简称复合材料)具有比强度/比刚度高、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、材料与结构同时形成等特点，已成为继铝、钢、钛之后，迅速发展的航空结构材料。近年来，其在飞机结构上所占比例越来越高，且已实现了军机和民机主/次承力结构的广泛应用。由于复合材料突出的减重效率，能够带来飞机性能的进一步提高，因此其在飞机上的用量和应用部位已成为业内衡量飞机结构先进性的一项重要指标之一。
复合材料成型技术发展情况
迄今为止，在飞机结构上应用的复合材料主要为热固性树脂基复合材料。热压罐成型技术是指以预浸料为加工对象，通过热压罐来提供必要的压力环境，并在一定的温度下使预浸料叠层完成固化而得到复合材料零件的制造技术。热压罐成型技术是航空复合材料结构制造技术的主要组成部分之一，也是应用最为广泛，最为成熟的航空复合材料结构成型技术。
与金属材料不同，飞机复合材料结构研制是在设计的领导下，材料、工艺、无损检测、性能测试和装配等专业的一体化互动的结果。工艺必须配合设计归纳需要验证的工艺单元，按照设计要求，通过典型结构的工艺逐步放大验证，完成工艺方案研究及工艺适用性评价，即从产品质量(包括力学性能、重量、内部质量、形位、尺寸、功能等指标)、成本(产品的全寿命周期的成本指标)和制造周期三个方面来评价结构的工艺适用性。
国外发达国家复合材料构件制造有两个主要特点：一个是大面积采用大型、整体化结构，并开发相应的制造技术与工艺；另一个是大力提倡基于数字化的自动化技术。近年来，中航复合材料有限责任公司(以下简称中航工业复材)配合设计采用大型和整体化结构的需求，以及数字化设计与制造的要求，在多个型号的研制中，开发了翼面/机身复合材料整体化结构制造技术与工艺，在复合材料数字化制造方面，不断提高技术能力，在国内率先将数字化下料、激光投影和自动铺带技术应用于型号产品的研制和批量生产，降低了成本，缩短了制造周期，保证了产品的质量稳定性和一致性，缩短了与发达国家的水平差距。
为了探索复合材料成型规律，了解影响产品质量的因素，中航工业复材开展了复合材料构件成形过程中的热压罐温度场模拟、框架式模具结构构型/布局/尺寸与其结构刚度和温度场的关系、固化压力传递、缺陷产生机理与规律、固化变形机理与控制等工艺因素的研究，为提高产品的质量和工艺稳定性奠定了坚实的技术基础。目前，中航工业复材的主要任务是在新飞机结构研制中，按照设计提出的复合材料新结构，开发新材料与制造工艺，形成规范，完成产品研制，并承担部分复合材料构件/部件产品的小批量生产，最终完成对主机厂的技术转移。
热压罐成型技术优势
模具技术、整体成型技术、基于自动化的制造技术是热压罐成型的几项关键技术。在新机的研制过程中，中航工业复材开发了系列复合材料构件制造技术，主要成果有：针对梁、壁板结构，开发了梁成型技术、长桁成型技术、加筋(单向、纵横向)壁板成型技术；针对盒段整体化结构，开发了基于π接头的整体成型技术、纵墙与下蒙皮整体成型技术、纵墙与上下蒙皮整体制造技术；针对舵面结构，开发了全高度蜂窝整体成型技术和U单元壁板成型技术；针对透波结构，开发了透波夹芯结构整体成型技术；针对发动机外涵道结构，开发了聚酰亚胺高温复合材料成型技术；针对复合材料结构的装配需求，开发了舵面、垂尾、平尾、舱门、机翼和中央翼等复合材料部件的装配技术。经过多年的研究，中航工业复材在复合材料成型领域积累了丰富的经验，其在热压罐成型技术的优势主要体现在以下几个方面：
“零吸胶、常温加压”预浸料。众所周知，预浸料的工艺性直接影响复合材料构件的制造质量。国内传统的环氧和双马来酰亚胺预浸料均需要加压窗口的工艺限定，当成型大尺寸/整体化复合材料构件时，结构不同部位的温差较大，容易导致制件内部质量难以控制。中航工业复材的研发团队开发了可实现“零吸胶、常温加压”工艺的环氧和双马来酰亚胺预浸料，突破了大尺寸/整体化复合材料构件成型时温差大、加压窗口对构件质量影响的技术瓶颈，为大尺寸/整体化复合材料构件的制造奠定了基础。
整体成型技术。整体成型是复合材料独有的构件制造技术，其采用共固化/共胶接等技术手段，可完成壁板、盒段等复杂构件的一次性整体成型。采用整体成型技术可大幅度减少零件和紧固件，减轻结构重量和装配工作量，进而降低成本；同时，在军机上，可降低机体结构雷达反射面积，提高隐身性能，是复合材料构件制造技术的重要发展方向之一。
中航工业复材在整体成型技术方面处于行业领先地位。不仅在关键设备上拥有Φ7米×30米大型热压罐，具备30米长构件的整体成型制造能力，而且在技术储备上，已配合设计研制了多个型号的翼面/机身加筋壁板、多墙整体化壁板/盒段、全高度蜂窝整体舵面，实现了小批或批量生产，在部分相关关键技术上已经达到世界先进水平。
基于数字化的自动化技术。自动铺放技术包括自动铺带技术和自动铺丝技术，是目前国际最先进的复合材料自动化高效制造技术之一。自动铺带技术可实现大尺寸翼面壁板类结构的高效自动铺放，自动铺丝技术对于复杂机构具有更强的适应性，可完成凸面、凹面及台阶、变厚、拐角等复杂型面结构的铺放，实现飞机机身、机头、进气道、机翼大梁、尾锥，发动机短舱、叶片、整流罩等复合材料构件的高效自动化制造。
自动铺带技术。目前，中航工业复材拥有国内先进的大型自动铺带设备，可实现大型复合材料构件的铺放。在相关技术方面，中航工业复材完成了国产预浸带制备、铺带工艺等系列研究与相关工程化应用验证，已将自动铺带用于新型飞机的机翼复合材料壁板；针对民机尾翼、机翼等课题需求，完成了尾翼平尾蒙皮、机翼蒙皮的系列研究与验证试验；目前，结合某民机课题，正在开展自动铺丝技术的研究验证。
高温树脂基复合材料制造技术。中航工业复材具备使用温度从280℃到420℃的多种高温树脂基复材制件的制造能力，并已在某国产先进发动机上，实现了高温复合材料结构的定型生产。高温复合材料制造技术一直是业界难题，中航工业复材目前是国内唯一能够满足发动机批生产要求的高温树脂基复合材料制造单位。同时，中航工业复材也是国产新一代发动机复合材料构件的重要研发机构，是国产发动机推重比技术的重要支持研发单位之一。
技术人才储备和设备能力
热压罐成型技术的研究开发和相关产品的批量生产工作主要由中航工业复材的零部件事业部承担。零部件事业部现有员工140多名，其中基础院首席专家1人，集团特级专家2人，研究员6人，高级工程师42人，工程师32人。人才队伍构成合理，后备人才成长机制完善。
零部件事业部目前厂房面积为38000平方米，分为净化间区、热压罐区、烘箱区、周转区、模具区、机加区、打磨区、无损检测区、喷砂/喷铝/喷漆区、装配区和附楼办公区。
厂房区高跨净化间内配置有1台30米×6.5米铺丝机和1台30米×6.5米铺带机(具备32丝束铺放能力)，手工铺叠、功能结构铺叠和液体成型纤维预形体制备等三个独立净化间中，分别配备了下料机、激光投影仪、大型缝合机、纤维预形体制备机等先进制造设备；热压罐区拥有9台先进热压罐，其中包括两台高温高压热压罐和一台内径7米，长30米的超大热压罐；另外，厂区还拥有1台自行开发研制的7.5米×6.5米的多通道-自动无损检测设备、2台大型5坐标龙门铣床2台、1套大型自动喷砂/喷铝/喷漆设备等大型复合材料先进制造设备。
中航工业复材是国内领先的航空复合材料研制生产单位。在三代机、新型战斗机和大型飞机的研制过程中，其开发的新材料和创新技术突破了国内翼面/机身复合材料结构的材料及制造技术瓶颈，所形成的材料体系和工艺技术均达到国内领先水平，部分达到国际先进水平。中航工业复材的研究成果在相关军机型号战技指标和先进性的提升上起到了重要的作用，为增强国防装备作战能力上做出了应有的贡献；在民用飞行器领域，中航工业复材承担了大型民机复合材料尾翼、舵面、机头、机身/中央翼和机翼等预研课题的制造技术研究，为我国的大型民机复合材料次承力和主承力结构预研做出了贡献。如今中航工业复材正在继续严格遵照执行中航工业集团公司的部署与要求，在新型军机和大型民机预研中持续发挥自身优势，开发潜能，对标国际先进，努力提高工艺研发水准，为我国的新型军机和大型民机的研制和定型生产提供坚实保障，再立新功！
来源：玻纤情报网
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