早在上个世纪六七十年代，复合材料就已经被广泛的应用在航天、航空领域，尤其是在我国航天事业飞速发展的新时期，飞行器的高空化、智能化、低成本化促使着复合材料的研发，也让复合材料生产制造工装受到关注。目前，理想的复合材料工装的明显指标是工装材料与零件材料相匹配的热膨胀系数以及低廉的成本，下面我们就具体的航空航天复合材料制造工装做了探讨。
一、复合材料工装概述
复合材料制造工装在以往的航空航天事业中不曾被人们重视，总是表现的默默无闻，然而其构件的质量、成本以及密度地位突出，直接关系到航空航天事业的发展，可以说复合材料工装一直都是扮演者幕后英雄的角色。目前，理想的复合材料制造工装是精度高、刚度高、抗压能力高、密封性好的零件，另外还要保证工装材料与零件材料之间的热膨胀系数相匹配。常用的航空航天复合材料制造工装有铝、钢、殷钢、石墨以及碳纤维复合材料等，这些材料中，殷钢和复合材料因本身整体性强、抗压能力高的特征成为航空航天构件制造的首选材料，但其中也存在一个明显的缺陷，就是制造成本高且固化能耗远远超标。为此，在目前科技发展的前提下，复合材料研究力度不断增大，出现了许多材料生产新工艺、新技术，为航空航天事业的发展奠定了基础。
二、航空航天复合材料制造工装要点
1、低成本金属工装
殷钢是目前航空航天领域常见的金属材料之一，它具备现有金属和合金中最低热膨胀系数，持久性非常好。但是这种材料也存在着重量大、密度高且价格昂贵的特征。有企业研究发现，采用这种复合材料生产航空航天工件，其造价昂贵不说，航天航空机械的重量也极大，严重影响了航空机械的运行。因此飞机制造商和工件供应商除了不断研究质量轻、成本低的新型殷钢，还不断的探索更加便宜、质地轻盈的其他金属材料。
比如美国洛·马公司在原有殷钢的年基础上，结合符合材料形成一种全新的混合工装，这种工装系统一方面减少了传统殷钢的重量和能耗，另外提高了殷钢生产效率。利用这一工装系统，实现了胶接和槽接的配合，利用双马树脂纤维为主要材料，并将其附加在殷钢表面，使得工装标准比原有殷钢工装厚度减少了一般，重量也相应的减轻了一般。轻质的殷钢意味着飞机重量降低，飞机飞行安全性、稳定性得到保证。
2、先进复合材料工装
在航空航天复合材料生产中，工装重量一直都是最为关键的内容，其严重影响铺放和热压罐的成型，由于这一重量等同于热质量，工装的重量越大，其在热压罐中的时间更长，固化温度和冷却时间也就更加多，在这长期固化和冷却的时间，极容易受到外界因素干扰导致材料整体性发生变化。而采用复合材料来制造航空航天复合材料工装，有效降低了工装的质量、重量以及热膨胀系数，与普通殷钢相比质量缩减了40%，因此在目前航空航天事业中备受关注。
纳米技术对工装的耐久性提升起到了显著的作用。加拿大Integran技术公司开发了一种低 CTE 的纳米结构镍 / 铁涂层，英国先进复合材料集团将其与自家的碳复合材料工装预浸料结合，研制出了Carbovar工装。该工装概念结合了复合材料工装的轻质和低热量以及金属工装的表面耐久性和硬度，并且与所有金属工装相比成本的节省很可观。
三、航空航天复合材料工装的控制要点
1、工装的精确控制
工装结构及其材质的优劣，将直接决定复合材料零件成型后的精度，为消除热膨胀系数对零件外形精度所产生的负面影响，广泛采用了与复合材料膨胀系数相接近的工装材质进行工装制造。而在具体设计与实践中，要合理分布支撑柱，在确保工装结构稳定性的基础上，有效降低支撑柱的承重压力。此外，正确的防黏层和成形工装摆放位置，都能够有效降低因工装变形而造成的零件变形，最终切实增强复合材料听见制造的精准性。
2、制造温度场的精确控制
在复合材料零件成形的固化阶段，因复杂的温度梯度造成构件变形是非常普遍的，所以在复合材料零件制造过程中，一定要对温度场进行精准控制。当所制造的零件具有较大厚度和尺寸时，升温速率和降温速率若是过快，不仅会对工装温度场的均衡性造成破坏，而且会对复合材料零件内部结构带来严重破坏。温度梯度的存在使得构件内部的树脂固化度不一致，固化收缩引起复合材料构件发生翘曲和变形。虽然较低的升、降温速率能减小复合材料构件内部的温度差异，使得复合材料构件内部温度梯度减小，复合材料构件变形小不易发生翘曲，保证复合材料构件的精确制造，但是过低的升温速率和降温速率无疑会增加零件的制造成本。航空复合材料构件成型时，升温速率一般不超过 2℃ /min，降温速率一般为 2～3℃ /min，复合材料构件出罐后需后固化 4h 以上。
3、固化压力的精确控制
真空袋-热压罐法成型复合材料构件时，预浸料被热压罐固化压力紧紧压贴在成型工装表面，热压罐开始升温后复合材料构件与成型模具之间产生剪切应力。随着温度的升高预浸料的树脂进入橡胶态阶段，此时复合材料构件的剪切模量很低，靠近成型工装型面的预浸料的铺层受到的剪切应力远大于非贴膜面的预浸料的铺层，使得在复合材料构件厚度方向形成一个应力梯度，由于固化压力的作用使得应力梯度随着树脂交联固化而被迫残留在构件内部，直到复合材料构件完全固化。在复合材料构件脱模后，残留在构件内部残余应力得到释放而导致构件发生变形。压力对复合材料构件内部质量有较大影响。在厚度一定的条件下，随着固化压力的增大，复合材料构件的孔隙率逐步降低，而构件的变形量增大。降低复合材料构件成型的真空度可以改善构件内部质量。
四、结语
复合材料制造工装伴随复合材料研究力度的加大而不断应用在航空航天领域，其经济性、抗压能力、耐久性、防腐性都得到很大的提升，与此同时也涌现出了一大批航空航天新材料、新技术和新产品。时至今日，复合材料制造工装在航天航空领域已从幕后迈向前台，今后复合材料飞机的竞争，将既取决于飞机制造商们设计水平、制造技术和生产能力的优劣，也取决于其选用的复合材料工装技术的好坏。对此，我国航空工业应该充分认识、高度重视，在复合材料制造工装领域发出自己的声音。
参考文献
[1]徐英杰, 曾雁, 杨长兵,等. 航空用复合材料部件胶接与铆接工装及制造方法:, CN111531387A[P]. 2020.
[2]生振新. 航空复合材料制件生产调度问题研究[D]. 中国矿业大学, 2020.
[3]付景丽, 李璐璐, 蔡骏文. 用于整体化结构成型的复合材料工装设计和制造技术研究[J]. 航空制造技术, 2019, v.62(17):48-51+59.
