高端复合材料制造装备应用及发展

王静 蔡清华 冯雅丽

摘 要：近年来，随着复合材料在航空在航空、航天、造船、汽车和风电等工业领域的高度重视，先进复合材料制造装备显的尤为重要，其水平从一个方面反映了国家制造装备的整体水平。本文介绍了当前复合材料制造工艺、主要设备及其应用情况，并对国内外先进复合材料制造装备发展现状及前景进行分析。

关键词：复合材料；制造装备；应用；发展趋势

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。先进复合材料自问世以来，由于其轻质、高强、耐疲劳、耐

腐蚀等诸多优势，在航空、航天、造船、汽车和风电等工业领域得到高度重视，而且这种趋势仍在继续。如图1所示。先进复合材料应用于飞机结构中可减重20%～30%，因此复合材料在军民用飞机上的用量逐年增加，大型飞机尤为突出（A380用

60.5吨、占25%，787用25吨、占50%）。且其装机应用水平已成为现代航空装备先进性的标志。

图1 国外飞机的复合材料用量年谱

先进复合材料最近10年在航空航天、汽车、船舶、风电上井喷式的应用，已经证明了先进复合材料在未来航空航天、汽车、船舶、风电等领域的重要地位。先进复合材料制造装备显的尤为重要，自动化制造、检测装备可增加复合材料用量、提高制造技术水平、保证产品质量和降低成本的关键，是武器装备用复合材料构件快速研制与大批量稳定生产、实现敏捷制造的必由之路。

一、复合材料制造工艺及主要设备

先进复合材料装备是重要的基础制造装备之一，其水平从一个方面反映了国家制造装备的整体水平。目前，复合材料装备制造技术已发展成为集材料、冶金、结构、力学、电子等多学科为一体的先进技术。

复合材料制造装备工艺及检测方法主要有：手动铺层、预浸料和预制体成型、纤维缠绕成型、自动铺带（ATL）、自动丝束铺放、热压罐固化成型、三维缝合成型、复合材料液体成型、隔膜成型、复合材料制件加工及装配、复合材料自动化无损检测等。

与复合材料制造装备工艺及检测方法相对应的制造装备主要有：预浸料制造装备、预浸料自动裁剪设备、预制体成型装备（如图2所示）、纤维缠绕成型设备、自动铺带、自动铺丝机（如图3所示）、热压罐成型装备、三维缝合成型装备（如图4所示）、复合材料液体成型装备、隔膜成型装备、机器人制孔系统、自动钻铆设备、超高压水切割设备、超声C扫描检测系统等。

图2 国外预制体成型装备

图3 Viper6000大型ATP机，代表了当今自动丝束铺放最高水平

图4 美国研制三维缝合成型装备

二、复合材料制造检测装备的应用

复合材料制造检测装备在航空航天、汽车、船舶及风电等领域的应用之处如下：

（一）预浸料制造装备、预浸料自动裁剪设备、纤维缠绕成型设备、自动铺带机、自动铺丝机。适用于各种复杂零部件的成型制造，例如航空航天器中采用复合材料的垂尾、腹鳍、空中受油飞机的S型受油管；直升机机身结构件（尤其是大开口构件）、纵列式重型直升机协调轴；轻型飞机机身；S型进气道、发动机机匣；大开口卫星承力筒、构架式卫星构架节点接头、大型运载火箭壳体、带裙固体火箭发动机以及民用氧气瓶、压力容器等复杂型面零件。汽车结构件、功能件、覆盖件的成型制造。船用螺旋桨、船体部件的成型制造。风电领域大叶片的成型制造。

（二）热压罐成型装备。热压罐可用于金属/非金属胶接构件和树脂基高强度玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等复合材料制品。如飞机舱门、整流罩、机载雷达罩，支架、机翼、尾翼等，汽车结构件、功能件、覆盖件；船用螺旋桨、风电领域大叶片等。

（三）三维缝合成型装备。适用于各种复杂零部件的预成型制造，例如航空航天器中采用复合材料的垂尾、腹鳍、空中受油飞机的S型受油管；直升机机身结构件（尤其是大开口构件）、纵列式重型直升机协调轴；轻型飞机机身；S型进气道、发动机机匣；大开口卫星承力筒、构架式卫星构架节点接头、大型运载火箭壳体、带裙固体火箭发动机以及民用氧气瓶、压力容器等复杂型面零件。汽车结构件、功能件、覆盖件的预成型制造。船用螺旋桨、船体部件的预成型制造。风电领域大叶片的预成型制造。

（四）机器人制孔系统、自动钻铆设备。可用于飞机的机翼、机身、舱口、尾翼及机身的加工及连接。

（五）超高压水切割设备。可用于飞机制造中的复合材料壁板切割的切割。

（六）超声C扫描检测系统。航空航天、汽车、船舶和风电领域中采用复合材料制作的构件（尤其是大型复杂曲面）进行检测。

三、国内外发展现状

目前，在国外，复合材料制造、检测装备已经达到实用阶段，如美国辛辛那提机床公司Viper6000大型ATP机，代表了当今自动丝束铺放最高水平。德国凯尔曼特种机械制造有限公司是世界上唯一生产复材缝合设备的制造公司，拥有多项专利技术，也是目前世界航空航天工业领域复材缝合加工设备市场占有率高达95%以上的企业。世界各大航空企业都是凯尔曼的客户，从欧洲的空中客车公司，欧洲直升机公司，美国的波音飞机公司到中国的哈尔滨飞机制造集团，北京的航空制造工程研究所都是他们的客户，都应用凯尔曼的设备生产最先进的复材轻型节能飞机。意大利特鲁兹公司的热压罐已经被用于欧洲阿丽亚娜火箭和空客A380，A320，A316和A400M军用运输机的复合材料部件制造，迄今特鲁兹已为用户提供600多套热压罐，并已进军中国。

目前，国内复合材料低成本產业起步较晚，技术水平较低，特别是高端的航空航天产品的低成本制造，目前仅停留在实验阶段，这也从一个侧面反映出我国复合材料产业的总体现状和水平。虽然复合材料加工的中小型民营企业数量巨大，但都普遍存在诸如生产工艺落后，产品多为来样加工，缺乏自主设计能力，无严格的质量检验体系，生产过程对空气污染严重，生产环境恶劣，工人缺乏必要的防护服等着一系列的问题。国内主机场、航空发动机厂商使用复合材料制造、检测装备全部靠国外进口，成本相当昂贵。

四、前景分析

在航空航天和国防工业领域中，航空材料专家曹春晓院士指出：50%复合材料是新型飞机复合材料用量的起点，飞机用材料正由铝合金时代进入复合材料时代。中国商用飞机有限责任公司专家咨询组2008年9月10日的咨询报告指出：“复合材料应用是当代大型民机的一项关键技术，大量使用复合材料是减轻结构重量、提高结构效率，提高民用飞机的经济性、舒适性，体现先进性的重要举措。”我国大型客机C919基本型的复合材料设计用量2014年为15%、2016年达到23%，接近A380复合材料用量25%的水平。

在汽车领域中，随着汽车复合材料应用水平的不断提高，复合材料单车用量将逐渐增加。2010年我国汽车工业所需塑料、复合材料总量约为72.2万吨，2015年将达到150-180万吨。随着成形技术与装备的不断发展，复合材料汽车零部件在汽车领域的应用将日益扩大。

在船舶领域中，到目前为止，大中型船艇的船体和上层建筑等多采用玻璃钢制造，而高性能船舶，如军舰等也开始逐渐采用先进复合材料进行生产和制造。船舶上使用复合材料的比例逐渐升高，制造的复合材料船舶也越来越大，并且力学性能要求比较高的螺旋桨也开始采用复合材料制造，复合材料在船舶与海洋行业的发展趋势正在不断的加速。

在风电领域中，随着风机容量增加，叶片长度不断增大，同时对叶片的制造技术及叶片的材料会提出新的更高要求，比如，随着叶片长度的增加，高性能碳纖维的用量会越来越多。风电行业上的应用，风机正在向着大型化发展，相应地对叶片材料也提出了更高的要求，复合材料高比强度、高比刚度特性满足了风机叶片对强度和刚度的要求。风机的用材也正由玻璃钢向碳纤维复合材料或混合复合材料转变，风电行业的快速发展，对复合材料的需求也会越来越大。

五、结束语

先进复合材料在航空航天、汽车、船舶、风电上井喷式的应用，已经证明了先进复合材料在未来航空航天、汽车、船舶、风电等领域的重要地位。先进复合材料制造装备可保证材料的用量、制造技术水平、产品质量和降低成本，先进复合材料制造装备的重要性不可忽视。

目前，复合材料制造装备，在国外，已经达到实用阶段；在国内仅停留在实验阶段。国内几乎所有的复合材料制造装备全部为进口。所以紧跟国际最新发展趋势，成为达到国内领先、国际一流技术水平的复合材料制造装备，最大限度的推动航空、航天、汽车、船舶、风电等制造业发展，提升国家综合实力。

参考文献：

[1] 杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，（1）.