[摘要]隨着先進複合材料技術和工藝技術的迅速發展，複合材料在飛機上的應用比例穩步增長，應用部位從非承力、次承力結構向主承力和核心部件擴展，本文總結了近年來推動複合材料發展的先進材料技術和製造工藝技術。
1.引言
航空複合材料是一種由高強度、高剛度增強材料構成的新型材料，具有良好的抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優點。複合材料是綜合權衡飛機減重、性能、成本三方面因素的理想材料，在飛機上大量應用可以明顯減輕飛機的結構重量，提高飛機的性能。
2.航空先進複合材料發展分析
複合材料原材料方面，航空用各種樹脂基複合材料水平有大幅度提高。在碳纖維材料方面，大絲束12k、24k已逐漸代替3k及6k，高強度的T700S及T800S已開始廣泛生產。以977-3/IM7和3900/T800S爲代表的環氧樹脂複合材料已發展到第二代，其CAI達到245～315MPa，堪稱首屈一指。以5250-4/IM7爲代表的雙馬基高溫複合材料已發展到第二代，工作溫度達到177℃，廣泛用於飛機高溫部位。
聚酰亞胺複合材料廣泛用於發動機高溫部位，缺點是含二氨基二苯甲烷（MDA）有毒，美國研究出無MDA的預浸帶可用於發動機及飛機；因鈦合金稀缺，聚酰亞胺預浸帶正研究用來代替500℃以下的鈦合金。美國Amber公司開發的C740阻燃氰酸乙酯樹脂與碳纖維組成的材料固化後工作溫度可達344℃，可用作無人機S-100的尾噴管及發動機。
3.航空複合材料先進工藝技術發展分析
航空複合材料先進工藝技術方面，數字化技術、自動化技術、低成本技術以及先進工藝裝備的應用和發展，推動了複合材料工藝技術從以手工製造、模擬量傳遞爲特徵的傳統技術迅速轉變爲以自動化製造、數字量傳遞爲特徵的先進技術，目前在航空複合材料中得到廣泛認可和推廣應用的先進製造技術如下：
3.1數字化技術廣泛應用
採用數字量形式對產品進行全面描述和數據傳遞，實現了設計與製造之間的無縫對接。目前複合材料構件數字化製造主要體現在預浸料自動下料、激光鋪層定位和纖維自動鋪放等方面。
3.2自動化技術迅猛發展
自動鋪疊可成型超大尺寸和形狀複雜的複合材料製件，而且質量穩定，工件淨近成形，加工切削加工及原材料耗費減少。自動鋪帶及絲束鋪放的材料利用率達到80%～97%，而手工鋪層的材料利用率僅爲40%，先進鋪帶技術可降低製造成本30%～50%。據統計，2001年前全球只有不足100臺自動化複合材料鋪層機，到2007年全球擁有自動化複合材料結構製造用機器人設備250臺。2007年大型民機複合材料結構只有43%是用自動化製造的，預計10年內將達到64%。
複合材料自動化技術包括自動鋪帶技術（ATL）和自動鋪絲（AFP）技術。目前最先進的第五代鋪帶機是帶有雙超聲切割刀和縫隙光學探測器的十軸鋪帶機，鋪帶寬度最大可達到300mm，鋪帶速度達（1.3～20.4）kg/h，生產效率可達到手工鋪疊的數十倍。所有波音787翼面及翼盒構件均採用自動鋪帶技術製造。
針對複雜雙曲率型面，由Hercules率先開發了自動絲束鋪放（ATP）。其結合了自動鋪帶和纖維纏繞技術的優點，鋪束頭把纏繞技術所用的不同預浸紗束獨立輸送和鋪帶技術所用的`壓實、切割、重送功能結合在一起，由鋪束頭將數根預浸紗束在壓輥下集束成爲一條寬度可變的預浸帶，然後鋪放在芯模表面，鋪放過程中加熱軟化預浸紗束並壓實定型。目前最新的Viper6000系統可以鋪放並控制32個纖維束，每束寬3.2mm，鋪層帶寬達到10.2cm，鋪絲速度可達6.8～11.3kg/h，最高可達23kg/h，絲束的鋪放精度達到±1.3mm。
除廣泛採用自動化鋪層設備外，還廣泛採用了大型自動化高速噴水切割機、超聲切割機、數控自動化鑽鉚機、大型剪切螺栓緊固機等。
3.3液態成型、非熱壓罐固化等多種工藝日趨成熟
VARTM技術是目前液態成形技術中發展得較爲完善的一種，在CRJ700/900支線飛機、A380、787機身後壓力隔框及A400M貨艙門上廣泛應用了VAP技術，纖維體積密度達到65%，孔隙率小於0.2%。非熱壓罐固化雖會使纖維體積含量減少，但其影響甚小，如在VARTM技術中，單向帶及織物的纖維體積含量已分別達到60%和56%，而熱壓罐固化所能達到的相應值也僅爲62%和58%。
較之VARTM和RTM更接近傳統方法的是採用爲非熱壓罐固化開發的專用預浸料，然後在固化爐中固化。目前，先進複合材料公司的首個熱壓罐外固化複合材料MTM44-1已取得空客認可用做結構件。
3.4先進無損檢測技術的應用
複合材料製件無損檢測設備主要需要配置大型超聲C掃描設備和X光無損檢測設備。此外激光剪切攝影及激光超聲檢測也是主要發展方向。
在超聲檢驗技術上最重要的進展之一是相控陣檢驗的開發。相控陣超聲檢驗與傳統超聲檢驗相比，改進了探測的概率，並明顯加快了檢驗速度。
波音及空軍實驗室等採用了一批先進的無損檢測技術。波音公司的移動式自動掃描機（MAUS）C掃描系統，檢測速度9.3m2/h；空軍實驗室的激光超聲檢驗速度是水浸超聲探傷的10倍。此外還有電子剪切成像、相控陣超聲等多種方法。
3.5大型工藝裝備的建立
波音787的機翼固化用熱壓罐8m×40m，機身固化熱壓罐9m×23m。A380固化用熱壓罐9m×42m，爲世界之最。此外還有Viper6000自動鋪放機、大型噴水切割機、隔膜成形機以及自動鑽鉚機等也是重要的大型設備。
大型構件的模具重量太大，重達45360kg，採用複合材料作模具，使波音787的後機身模具重量降低60%。目前還在開發氣相沉積薄殼鎳基合金模具，低溫固化複合材料制的模具、碳泡沫模具以及納米技術改性模具等。
3.6手工鋪層在次承力結構製造中仍不可替代
手工鋪層在定貨量小，質量要求高的場合仍廣泛應用。它的優點是可使蒙皮厚度有大的變化，進行局部加強。目前手工鋪層使用了許多專用設備來控制和保證鋪層的質量，如複合材料預浸料自動剪裁下料系統、鋪層激光定位系統等，從而將依賴於樣板的製造過程轉變爲可根據複合材料設計軟件產生的數據檔案進行全面運作的製造過程。在某些形狀複雜的次承力構件製造中，手工鋪層仍是不可取代的。手工鋪層的缺點是要求鋪層人員有很高的技藝和施工經驗，手工鋪貼費工費時，效率低、成本高（佔總成本的1/4），難以適應大批量生產和大型複雜複合材料製件的生產要求。
4.結論
先進複合材料在飛機上的應用和發展很大程度上取決於複合材料技術和工藝製造技術的快速進步。在目前及未來一段時期內，在適當保留傳統手工製造的基礎上，耐高溫、耐腐蝕、高強度等高性能複合材料及數字化、自動化、低成本製造技術是航空複合材料發展的主要方向。
參考文獻
[1] 益小蘇.先進複合材料技術研究與發展[M].國防工業出版社，2016，（5）.