低成本复材在航空业的应用

廖子龙

航空材料的进步是推动飞机发展的重要因素。自20世纪70年代以来，高性能碳纤维及其复合材料由于具有密度低、比强度和比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好等特点，可实现高性能化与结构功能的一体化，在航空领域的应用比例显著增加，成为最主要的航空航天结构材料之一。

性能优势VS成本控制

现有的复合材料成型技术主要源于航空航天工业对高性能结构材料的追求。但是，复合材料成型周期长，设备投资大，带来了成本高的问题。因此，复合材料能否有更大的竞争力，需要平衡其性能优势和成本控制两方面的因素。

20世纪80年代以来，复合材料在航空业的应用经历了从次承力结构件到主承力结构件的过渡，但成本高影响了其应用的进一步扩大。不过，多年的研究表明，在复合材料的成本中，实际上由原材料构成的成本占比并不高，高的主要是复合材料零件制造过程中的成本。

因此，国外提出了复合材料高效结构与低成本复合材料的概念，多个国家的相关部门提出了试验和验证计划。其中，CAI计划，即买得起的复合材料计划，从设计、原材料、制造工艺和自动化技术等环节验证复合材料的低成本技术，以期扩大复合材料的应用。

低成本复合材料制造工艺，是一种摆脱传统工艺对热压罐等大设备投资的依赖，而出现的非热压罐的复合材料成型（固化）工艺。

复合材料的非热压罐成型工艺，即通常所说的液体成型（LCM）工艺，其特点是生产效率高，但在性能上，与预浸料热压成型的复合材料相比，仍有一定的差距。

为了让复合材料在非热压罐固化条件下获得更高的性能，一个关键技术是开发适用树脂体系。在这方面，先进复合材料集团公司（ACG）开发了LTM10系列、LTM20系列、LTM30系列、LTM40系列、LTM100系列材料。这些材料的固化温度在50℃～80℃，具有良好的工艺性能和力学性能，且成型性良好，在制造低成本复合材料构件时贡献颇大。

国外的低成本工艺

LCM技术通过采用干态纤维与液态树脂结合的工艺实现结构的整体化，并通过整体结构的减重降低制造成本。LCM技术主要包括以RTM、VARI、RFI等为代表的复合材料成型工艺技术。同时，非热压罐成型技术推动了复合材料中间体增强材料在另一个技术领域的发展，拓展了包括NCF、缝合、三维编织预成型体。

RTM成型的工艺比较适合制造复杂结构零件，能保持较高结构效率，可以在三维的结构下，保持纤维的连续性。在此基础上，业界又开发了第二种液体成型工艺，主要是在单方向上通过树脂的流动，实现对纤维的浸渍，成型复合材料构件。这种工艺需要制备纤维预成型体，结构的转化效率也比较高。

第三种工艺是采用传统的预浸料，但在真空下成型。这种工艺采用烘箱或模具来加热，可以不用热压罐等比较昂贵的加工设备。

国外在复合材料非热压罐成型技术方面已经比较成熟。有资料介绍，某飞机型号复合材料结构的45%采用了RTM工艺。随着该技术的逐渐成熟，整体复合材料零部件的装配成本包括铺层成本等被显著降低。

在这种工艺的基础上，又发展出结构一体化技术，得以尽量减少飞机制造或者是装配中的工装以及重复装配的成本。因此，采用液态成型的复合材料制造零部件，其数量能够显著减少，不但获得了直接的减重效益，也提高了制造效率。

在工艺改进之后，还必须开发配套的材料，即必须开发适用于非热压罐成型工艺的材料体系，使最终产品可达到热压罐成型产品的性能水平。

在这方面，先進复合材料集团公司推出的适用于真空成型的预浸料，已经在飞机尾翼部分的模拟试验件上进行了验证。科研人员对验证得到的数据进行分析后发现，与传统的热压罐成型产品相比，真空成型技术制成的产品，在受冲击后的压缩强度和拉伸强度都基本上能达到与热压罐成型产品相当的性能水平。

同样，在真空辅助树脂渗透成型技术（VARI）方面，科研人员也在飞机的机翼活动面上进行了验证，同时也开发了不同树脂的技术体系，包括中温、高温的固化配套的材料技术体系。

自动铺放纤维+液态树脂成型的结合，是目前复合材料自动化技术发展的一个热点，俄罗斯对民机大型复合材料机翼结构进行了验证，据介绍，成本仅为传统的热压罐成型工艺的30%，具有显著的成本优势。整体来看，目前非热压罐真空成型技术已经在通用飞机的主承力结构和大型客机的次承力结构上得到了应用。

国内的开发与应用

经过多年研发和应用验证，中国的液体成型树脂/纤维预成型体和纤维自动铺放技术成熟度也得到了显著提高，并获得了应用。中航复合材料有限责任公司是国内研制航空用复合材料的重点企业，在复合材料制造工艺方面研发了相应的RTM树脂，包括中温、高温环氧树脂体系和双马树脂体系，也开发了应用于VARI技术和真空成型技术的树脂体系。

在应用方面，中航复材结合液体成型技术在纤维预成型体的制备包括缝合等技术方面，在工程型号上进行了考核验证。同时结合液体成型树脂动态性能，研究树脂流动的数字模拟技术，及模具设计加工技术，建立了树脂在液体成型中流动的数字模拟平台，为优化液体成型树脂流动控制和保证复合材料质量一致性提供了基础。在此基础上，液体成型材料和制造工艺也在型号上获得了考核验证，包括复合材料波纹梁、升降舵等。

在自动化铺放工艺方面，中航复材在包括材料树脂体系、预浸带和预浸丝束工艺制造等方面开展了一系列工作，掌握了铺带和铺丝制造加工工艺的技术，在大型机身壁板上开展了自动铺带和自动铺丝工艺复合材料制造工艺验证。

自动化量产技术与装备是复合材料制造业的关键技术之一。在美国《复合材料世界》杂志2018年年会上，势必锐航空系统公司技术总监Pierre Harter表示，他们正在评估将应用在下一代飞机上的材料和技术，以满足航空航天供应商在制造效率和产量方面的需要。可以肯定，下一代飞机的制造成本必然比我们过去看到的低。

总而言之，研发快速成型技术及自动化技术与装备已成为低成本复合材料技术发展的热点。笔者相信，从航空业对复合材料高效结构与降低制造成本的需求出发，会有许多新的技术源源不断地出现。