纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展

趙鵬飛 (西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司)

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用，尤其在無(wú)人機(jī)方面，各種尺寸的全復(fù)合材料無(wú)人機(jī)已非常普遍。

無(wú)人機(jī)尺寸相對(duì)較小和對(duì)安全性要求相對(duì)較低，因而纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)制造上的應(yīng)用則更加廣泛和成熟。盡管如此，在復(fù)合材料制件制造過(guò)程中，由于環(huán)境、原材料缺陷、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、工藝規(guī)范要求不完整以及操作過(guò)程不當(dāng)?shù)纫蛩貢?huì)導(dǎo)致產(chǎn)品中各種缺陷的產(chǎn)生，而制造缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料制件的性能和使用壽命，甚至還會(huì)導(dǎo)致制件的報(bào)廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

因此，無(wú)人機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量控制與保證仍需系統(tǒng)全面地考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與制造過(guò)程涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)。

全復(fù)合材料無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)

小型無(wú)人機(jī)由于其特有的低風(fēng)險(xiǎn)（無(wú)人）、低成本（較大飛機(jī)而言）特性以及總體尺寸較小的特點(diǎn)，為一些新材料、新思想、新技術(shù)提供了可以施展和驗(yàn)證的平臺(tái)。因此，受適航安全條例的限制，復(fù)合材料應(yīng)用于有人駕駛飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，小型無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料快速增加，并成為小型無(wú)人機(jī)的主體材料。顯然，復(fù)合材料優(yōu)良的性能、顯著的減重效益及良好的成型工藝性為無(wú)人機(jī)減輕重量和降低成本提供了更大的可能性。

自20世紀(jì)60年代初無(wú)人機(jī)型號(hào)“靶”-I研制就采用玻璃鋼/復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制造，并且其后幾乎所有型號(hào)無(wú)人機(jī)外形均采用了玻璃鋼/復(fù)合材料。西安愛(ài)生自成立以來(lái)，無(wú)人機(jī)機(jī)翼、機(jī)身部件主承力結(jié)構(gòu)梁均采用碳纖維復(fù)合材料，標(biāo)志著愛(ài)生公司無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)已進(jìn)入了全復(fù)合材料時(shí)代。

無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)也隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，初期較多采用梁式結(jié)構(gòu)，其主承力件（如梁或梁緣條等）采用金屬材料，其余采用復(fù)合材料。無(wú)人機(jī)的機(jī)身主要采用梁式結(jié)構(gòu)，由縱向梁凸緣、蒙皮和橫向框組成；機(jī)翼結(jié)構(gòu)有多種形式，若按翼面主承力盒結(jié)構(gòu)劃分，無(wú)人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)有夾層板梁式結(jié)構(gòu)、夾層壁板墻式結(jié)構(gòu)、全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)、蒙皮空腔結(jié)構(gòu)和夾層盒結(jié)構(gòu)等。

隨著復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展，基于整體成型或低成本技術(shù)的飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)也逐步采用。例如無(wú)人機(jī)機(jī)翼的梁式結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為普遍，有典型的雙梁多肋形式，還有適合整體成型的單梁少肋形式，因此很多采用復(fù)合材料制造的無(wú)人機(jī)機(jī)翼都采用這種形式。而無(wú)人機(jī)用復(fù)合材料構(gòu)件的主要結(jié)構(gòu)形式包括復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)、整體成型復(fù)合材料壁板、槽形和凸緣形復(fù)合材料梁、管狀復(fù)合材料狀尾撐桿，以及復(fù)合材料盒型結(jié)構(gòu)等。

復(fù)合材料制造用原材料與成

形工藝的應(yīng)用與發(fā)展

50多年來(lái)，復(fù)合材料的應(yīng)用走過(guò)了從次承力→主承力→復(fù)雜承力整體構(gòu)件的發(fā)展過(guò)程，較早地跨入了全復(fù)合材料無(wú)人機(jī)的行列。伴隨著多種無(wú)人機(jī)型號(hào)的不斷研制與批量生產(chǎn)，愛(ài)生公司專業(yè)技術(shù)人員積極探索復(fù)合材料專業(yè)發(fā)展途徑，開(kāi)展新材料、新工藝研究，在材料應(yīng)用、設(shè)計(jì)技術(shù)、成型工藝技術(shù)、工裝設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、生產(chǎn)能力建設(shè)、設(shè)計(jì)與工藝規(guī)范建立和生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制等方面均獲得了顯著的發(fā)展，已逐步形成了具有自身產(chǎn)品特色的復(fù)合材料專業(yè)研發(fā)與制造體系，建立了先進(jìn)復(fù)合材料生產(chǎn)能力，滿足了項(xiàng)目研發(fā)與生產(chǎn)需要，取得了可喜的成績(jī)。

復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能和環(huán)境適應(yīng)性與材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及成型工藝密切相關(guān)，下面按玻璃鋼/復(fù)合材料成型工藝方法，以及成型工裝技術(shù)來(lái)總結(jié)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)機(jī)體上應(yīng)用與發(fā)展的情況。

濕法手糊成型玻璃鋼/復(fù)合材料工藝

濕法手糊成型工藝的操作和所需條件相對(duì)簡(jiǎn)單且成本較低，但存在浸膠不均勻、樹(shù)脂含量高、纖維方向不易保證等諸多不足，因而結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也不高。該工藝主要用于飛機(jī)機(jī)體外形、機(jī)身梁、尾翼梁、飛機(jī)整流件、發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩等的制造。自20世紀(jì)60年代初“靶”-I至2006年某型驗(yàn)證機(jī)共數(shù)十個(gè)型號(hào)無(wú)人機(jī)的研制與生產(chǎn)均采用了該工藝方法，而且至今還用于其中多個(gè)型號(hào)無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)中。

濕法手糊成型玻璃鋼使用由雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂、胺類固化劑和非活性增塑劑組成的室溫固化樹(shù)脂基體，早期選用的固化劑為乙二胺，由于固化速度快、氣味大而在1980年前后被改性笨二甲胺取代，由新固化劑構(gòu)成的樹(shù)脂基體在室溫下具有較長(zhǎng)的使用期，因而較好地滿足了復(fù)雜結(jié)構(gòu)飛機(jī)復(fù)合材料壁板構(gòu)件制造的操作需求。

在增強(qiáng)材料應(yīng)用方面，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)幾乎完全使用的是無(wú)堿平紋玻璃布，從1988年開(kāi)始使用高強(qiáng)玻璃布、從1999年開(kāi)始使用碳纖維布，而且高強(qiáng)玻璃纖維和碳纖維織物的品種也豐富起來(lái)，如斜紋高強(qiáng)玻璃布和單向碳纖維布等，從而有效地發(fā)揮了復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性。此外，在一些型號(hào)的機(jī)身結(jié)構(gòu)中還使用了特別制備的隱身玻璃布。

無(wú)人機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩的制造直接使用的是“接觸壓力成型法”，固化過(guò)程中無(wú)需加壓。機(jī)身外形多采用剛度好的玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式，對(duì)此工藝上也采用了將蜂窩芯與內(nèi)外蒙皮同時(shí)進(jìn)行膠接的共固化工藝方法。為了保證夾層結(jié)構(gòu)中蜂窩與內(nèi)外蒙皮（或上下面板）之間的可靠粘接，其固化過(guò)程中需要施加一定的壓力（如真空壓力）。目前采用的工藝為 “密封袋法真空袋成型工藝”，該工藝方法是將塑料真空袋薄膜用密封膠粘接并密封到成型模具周邊形成真空袋，然后利用安裝在模具上的真空嘴進(jìn)行抽真空加壓。

在某型號(hào)無(wú)人機(jī)玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)機(jī)頭罩的成型過(guò)程中，還采取了“加壓袋成型工藝”，是在封閉的模具中通過(guò)充氣氣囊的方式來(lái)為制件提供所需的加壓壓力；其機(jī)身玻璃鋼梁的制造采用的是“對(duì)合模具模壓成型工藝”，以保證梁構(gòu)件的外形尺寸精度和因含膠量較低而更優(yōu)異的力學(xué)性能。這也表明愛(ài)生公司在20世紀(jì)80年代末即在主承力結(jié)構(gòu)中嘗試采用了玻璃鋼/復(fù)合材料。

全高度泡沫灌注成型工藝

1996年在某型號(hào)的機(jī)翼、尾翼研制中，為了無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)具有水密性的使用性能要求，設(shè)計(jì)采用了玻璃鋼蒙皮全高度泡沫夾芯填充的結(jié)構(gòu)形式，為此工藝人員開(kāi)發(fā)了“全高度聚氨酯泡沫灌注成型工藝”方法。具體來(lái)說(shuō)，先在模具上成型玻璃鋼蒙皮，接著將梁、肋等零件裝配到蒙皮上，然后將聚氨酯泡沫灌注到帶有蒙皮和梁、肋的封閉模具中。由于機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以通過(guò)直接發(fā)泡方式將閉孔泡沫塑料均勻、完全填充到被梁、肋分割成為多個(gè)腔室的機(jī)翼內(nèi)部成為該工藝的關(guān)鍵。

預(yù)浸料/熱壓罐或烘箱固化成型工藝

愛(ài)生公司于2003年建成了以進(jìn)口熱壓罐為主要設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)凈化間為鋪層區(qū)的先進(jìn)復(fù)合材料生產(chǎn)與加工條件，具備了獨(dú)立而完整的先進(jìn)復(fù)合材料制造能力。

1988年即開(kāi)始使用自制預(yù)浸料制造混雜纖維復(fù)合材料尾撐桿，當(dāng)時(shí)制備預(yù)浸料所使用的是T300碳纖維和高強(qiáng)平紋玻璃布，樹(shù)脂體系為自主開(kāi)發(fā)的中溫固化樹(shù)脂基體（雙酚A環(huán)氧與酚醛環(huán)氧混合樹(shù)脂/酸酐鈍化2,4-咪唑固化劑）。

而自2003年起，愛(ài)生公司擁有熱壓罐設(shè)備系統(tǒng)后，開(kāi)始自行生產(chǎn)復(fù)合材料部件，并且主要材料方面也改為采用英國(guó)ACG公司生產(chǎn)的預(yù)浸料。而在芯材方面，除Nomex蜂窩作為夾層結(jié)構(gòu)主要使用的芯材之外，在一些型號(hào)或結(jié)構(gòu)中也使用聚酰亞胺（PMI）泡沫塑料夾芯材料。

因熱壓罐設(shè)備系統(tǒng)的投資與運(yùn)行費(fèi)用昂貴，因而開(kāi)展先進(jìn)復(fù)合材料低成本化技術(shù)的研究與應(yīng)用是非常必要的。在“非熱壓罐固化成型工藝”技術(shù)（OOA）的研究方面，“預(yù)浸料/烘箱真空固化成型工藝”是發(fā)展較快、應(yīng)用較成功的工藝技術(shù)。愛(ài)生公司工藝人員從2005年起就開(kāi)始開(kāi)展了該技術(shù)的材料選擇與工藝試驗(yàn)工作，取得了可應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)，并在2013年實(shí)際應(yīng)用于某型號(hào)無(wú)人機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料壁板構(gòu)件的制造。

復(fù)合材料成型模具技術(shù)

由于復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用廣，因而模具所使用的材料（金屬、非金屬及其混合體）和結(jié)構(gòu)形式（陰模、陽(yáng)模、對(duì)合模）也呈現(xiàn)出多種多樣化。

在20世紀(jì)90年代末之前，愛(ài)生公司復(fù)合材料成型模具主要是通過(guò)模線樣板法制造的，自2000年以后就幾乎完全采用數(shù)控加工技術(shù)制造復(fù)合材料成型用金屬模具，其中包括利用鋁合金板材加工而成的成型模、利用鑄鋁毛坯加工而成的成型模、薄壁鋼結(jié)構(gòu)成型模等。

對(duì)于尺寸較大、結(jié)構(gòu)尺寸精度要求高的整體復(fù)合材料構(gòu)件，一般采用與制件熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)挠深A(yù)浸料制備的全復(fù)合材料成型模具進(jìn)行制造，該類模具由代木類塑膠板拼制后經(jīng)數(shù)控加工出的母模翻制而成。

結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)上取得了較好的應(yīng)用效果，但隨著新型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)機(jī)體用先進(jìn)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)以及功能性提出的新要求，同時(shí)面對(duì)用戶的更高使用要求和監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品不斷發(fā)展的控制與適航要求，愛(ài)生公司無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用存在亟待解決的新研究課題，需要形成設(shè)計(jì)、工藝、制造更加一體化的科研機(jī)制。主要包括無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范的制定、復(fù)雜部件結(jié)構(gòu)整體成型工藝、低成本制造技術(shù)、隱身特性等功能性復(fù)合材料技術(shù)的應(yīng)用、機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制品的損傷評(píng)估與維修技術(shù)、滿足適航認(rèn)證要求的復(fù)合材料構(gòu)件制造全過(guò)程的質(zhì)量控制等。 ■