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航空复合材料制造技术及发展趋势研究

李依伦

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150066

摘要: 经济高速发展的过程中,推进了航空航天事业的发展步伐,多种新型复合材料逐渐应用于飞机构件制作当中,并且制造技术日益优化,夯实了航空航天事业的发展根基。以复合材料为材质制成的飞机构件,所应用的制造技术是否先进与科学,关系着材料性能能否有效发挥。为此,笔者从零件成形技术、预形件制造技术、层板结构制造技术以及蜂窝结构制造技术几个层面展开分析,而后展望了这些制造技术的未来发展趋势。
关键词: 航空航天事业;复合材料;制造技术;发展趋势
DOI:10.12721/ccn.2021.157017
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面对航空领域当前的发展形势,为提高飞机制造质量,复合材料的应用率大增。飞机制造中复合材料在所有应用材料中占比较高,因而该材料制造技术的应用成效将会对航空航天事业的发展产生决定性影响。鉴于当前复合材料制作技术仍有一定的提升空间,因而探究复合材料制造技术及其未来发展趋势具有重要意义。

1.航空复合材料制造技术分析

1.1零件成形制造技术

零件成形技术在航空复合材料制造中较为常用,既可以进行弯管类零件的加工,也是钣金零件的主要制造手段。

1.1.1树脂转移模塑成形制造技术

该技术具有环保性高、制造费用低、加工质量佳等特点,可对飞机构件的装配环节大大精简。通常此技术应用于规模较大的双面整体件加工当中,在多种构件的加工中均具有良好的适用性,如可利用该技术进行舱门制造,在大型RTM件制造方面也常应用此技术。

1.1.2树脂浸渍制造技术

此技术属于复合材料成型工艺,是基于传统的真空袋压成形技术而研发出来的,运用了预浸料树脂体系是其最为显著的特征。通常在雷达天线罩等复杂性较低的曲面构件制造中会应用到此技术。

1.1.3纤维缠绕制造技术

此技术应用时首先需要进行纤维束的浸泡,而后再将之缠绕于芯轴之上。此技术目前已发展成熟,且在多种件构制造中得到了良好的应用。是复合材料自动化成形中常用的制造技术之一。纤维缠绕技术所制成的构件具有强度高、质量轻、抗腐性高及耐热好等诸多优势。

1.1.4自动铺带与铺丝制造技术

这两种技术应用时均需使用数控技术,前者在制造过程中需在数控技术的支持下实现对隔离衬纸的有效处理,可更加自动化地完成复合材料的制造过程。与自动铺带技术相比,自动铺纤维素技术的区别在于可应用于生产要求较为复杂的零件制造当中,其优势在于可减少材料损耗。

1.2预形件制造技术

1.2.1缝合技术

此技术应用时,需使用缝合类机械设备,应将分属于不同位置的纤维织物进行缝合与反复的固化,进而将之加工成可用性较强的纺织类材料。

1.2.2纵向加强技术

在该技术的应用下,可实现性能优越的三维增强型复合材料的科学制造。制造过程当中需先做好销棒与层板的连接,而后再进行固化。应用纵向加强技术可使材料的强度得到大幅提升,并增强其韧性,此技术若与缝合技术联合应用,可进一步提升材料的抗断裂性能。

1.2.3三维异型整体机织技术

此技术目前已逐步发展成熟,通常在复合材料中较为常用,也可应用于纤维织物复合材料制造过程当中。应用该技术生产出的材料力学性能较强,可满足预形件的应用标准,性能极为优越,可增强预形件连接的紧密性,也可避免其应用中出现渗漏问题。

1.2.4编织与针织技术

在结构相对复杂的预形件制造过程中,需要应用到此技术,可使材料连接处更加牢固,但此技术的应用弊端在于制造设备的局限性较高。

1.3层板结构的制造技术

在航空飞行器中的复合金属层板主要是应用厚度较小的金属板与纤维织物融合制作而成。由于要求不同,作用不同,相应的处理方式、工艺技术、铺贴流程等内容亦会发生改变,层板性能也会随之变化。

1.4蜂窝结构制造技术

蜂窝结构制造技术生产的复合材料是蜂窝式,其材料的材质结构特殊,具有很强的抗压能力,不会轻易变形和断裂,具有优越的隔热性能,有效降低噪音,抗震性能良好。应用时要将金属制造成蜂窝形状,再将其用两个金属板固定。

2.航空复合材料制造技术的未来发展趋势展望

2.1零件成形技术的发展前景

零件成形技术所涵盖的技术种类繁多,在树脂转移模塑成形制造技术应用时,存在树脂难以均匀分布的弊端,树脂间的间隙过大,且纤维成分不多,未来应对此方面进行改善。而纤维缠绕技术的未来发展,应着重进行该技术的自动化水平提升,实现生产成本的有效控制及适应范围的拓展。自动铺带与自动铺丝技术的未来发展方向则是相应机械设备及技术的创新与优化,应研制多铺放头铺带机,并运用超声技术进行丝带的切割,采用智能化监测技术优化系统的性能。目前在飞机尾翼及机身制造方面均需应用自动铺丝及铺带技术,因而此技术优化后,未来发展空间必将更加广阔。

2.2预形件制造技术的未来发展方向

缝合技术具有诸多应用优势,未来发展前景良好,但应在当前基础上着重进行产品连接强度的进一步提升。纵向加强技术更有发展潜力,不会受到材料的尺寸与厚度制约,这一技术将会成为航空飞行器制造的关键手段。三维异型整体机织需要侧重生产结构更加复杂的整体织物。编织、针织工艺虽然比较普通,但其重要性不容忽视。目前,编织、针织工艺已经实现自动化加工。随着三维编织机不断发展,编织、针织工艺的自动化生产水平会不断提高,生产效率也可以得到保证,其在飞机制造中将会具备巨大的发展潜力与应用价值。

2.3层板与蜂窝结构制造技术的未来展望

纤维增强金属层板中的材料复合程度很高,根据纤维的排列方式可分成两种:单向纤维与多向纤维增强金属层板。纤维增强金属层板中纤维的强度很高,可有效保证层板的承载力,耐高温,性能稳定。因此,层板及蜂窝结构制造技术具有广泛的发展前景。层板结构制造技术可结合不同的情况随时更换材料,提高层板性能。蜂窝结构制造技术广泛用于航天飞机、人造卫星、宇宙飞船、卫星等各个方面,因此,该技术的发展前景会更加不可限量,未来可用于大型军用运输机、无人机等机体制造。蜂窝结构的材料可以在不同情况下调整材料,使结构性能发生改变。

结语:航空复合材料构件制造技术水平将直接关系到我国航空航天事业发展。与发达国家相比,我国的复合材料制造技术还存在一定欠缺,因此,为了提高制造技术水平,要积极吸取国外精华,不断创新,放眼世界,加强技术研究,进一步提高航空产品竞争力,使我国航空复合材料的制造水平迈向新的台阶。

参考文献:

[1]王正峰,周艺玮.航空用先进复合材料的主要种类与制造工艺[J].仪表技术,2018(3):40-43.

[2]宁莉,杨绍昌,冷悦,等.先进复合材料在飞机上的应用及其制造技术发展概述[J].玻璃钢/复合材料,2020(5):123-128.