复合材料成形技术详解与应用

复合材料因其比强度和比模量高、可设计性强等优点，在航天航空领域应用范围和用量不断扩大，先进复合材料已成为高性能武器装备不可或缺的基础，其用量也成为衡量武器装备先进性的重要标志。近年来，国内外多种临近空间飞行器（导弹）的研制，也牵引和带动了高性能热结构防热复合材料和隔热材料技术的发展。 目前，复合材料制造技术已成为国防产品制造的关键性技术，不仅影响现有结构的制造质量和成本，而且其技术水平直接决定航天航空产品的先进性，对新型装备的构型设计起着决定性作用。复合材料产品制造技术涉及多个方面，是集材料、工艺、设备、信息技术等多学科于一体的制造技术，在完善和改进传统工艺技术的同时，正向着低成本化、自动化、数字化方向发展。

1）碳纤/玻纤复合材料高效低损伤加工技术研究

将重点解决复合材料的高精高效加工技术，抑制复合材料机械加工过程中的撕裂和断层现象，同时提高复合材料的加工效率，降低刀具的磨损。主要研究内容包括：复合材料加工毛刺/撕裂与断层的控制机理、复合材料的超声磨铣技术、复合材料高速铣削/磨削刀具结构和涂层技术。该技术应用于复合材料切削加工，该材料属于难加工材料，极易出现材料烧伤、加工表面质量差、分层、撕裂等缺陷，从而导致纤维复合材料制件报废，并且严重的磨损会导致刀具过早报废。

2）复合材料/金属共固化整体卫星飞轮精密制造技术

针对卫星姿轨控分系统飞轮轻量化、型谱化、高可靠、长寿命的需求，研究大型航天器碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced plastic， CFRP）复合材料、复合材料/金属共固化材料切削加工机理，开发共固化材料专用高性能专用刀具，解决二次精密切削加工过程中的表面质量和结构损伤问题。满足复合材料表面粗糙度Ra 0.8；复合材料切削加工尺寸精度±0.015 mm（轮体直径≤248 mm，轮体高度≤48 mm）；复合材料切削加工区域无表面损伤和结构损伤；飞轮转动惯量0.039±0.001kg·m2；飞轮动不平衡质量＜0.1g·cm2；转速在±6000 r/min范围内不发生颤振和失效；研制CFRP复合材料/金属共固化材料专用特种钻削、车削刀具2种，满足加工质量和加工精度要求。主要研究内容包括：CFRP复合材料/金属共固化材料切削加工表面创成机理研究；CFRP复合材料/金属共固化材料钻削、车削专用特种刀具研制；CFRP复合材料/金属共固化构件精密、低损伤切削工艺技术研究；CFRP复合材料/金属共固化构件加工表面损伤、三维结构损伤形成机理及主动控制技术研究。该技术解决如何在复合材料、复合材料/金属共固化组合材料上实现精密成形、精密切削加工、精密检测问题。

3）复合材料风扇叶片制备技术研究

掌握带钛合金包边的复合材料风扇叶片制造方法，建立起复合材料风扇叶片成形工艺、质量验收标准，实现复合材料风扇叶片在商用航空发动机上的应用。主要研究内容包括：复材叶片铺层设计和金属加强边基础方案设计；铺层叶片前后缘、叶尖的缝合技术研究，叶片型面精度控制技术研究，冷态不带金属加强边的进口材料风扇叶片试验件研制；复材叶片金属加强边胶接工艺选材筛选与分析；高性能RTM成形树脂（材料体系）增韧技术研究；复合材料风扇叶片榫头、伸跟段等结构复杂部位的无损检测方法与检测验收技术要求；编织结构纤维增强树脂基复合材料无损检测方法与缺陷表征技术研究。图3-37所示为GE90复合材料风扇叶片。

图3-37　GE90复合材料风扇叶片

4）连续纤维增强金属基复合材料制备技术研究(www.xing528.com)

掌握连续纤维增强金属基复合材料（包括高温合金复合材料和钛基复合材料）制备技术，为整体叶环等新型轻质整体结构零件在发动机中的应用提供技术支撑。主要研究内容包括：连续纤维增强金属基复材体系研究；纤维表面处理、浸润性及其与金属基材成形匹配性研究；增强纤维编织工艺、铺层设计研究；连续纤维增强金属基复合材料成形工艺适用性研究；连续纤维增强金属基复合材料液体成形工艺研究；连续纤维增强金属基复合材料试验件尺寸精度、变形问题研究；连续纤维增强金属基复合材料工艺优化研究；连续纤维增强金属基复合材料热等静压处理工艺研究。

5）复合材料自动铺带技术

复合材料自动铺带技术是集预浸带剪裁、定位、铺叠、压实等功能于一体，且具有控温和质量检测功能的复合材料集成化数控成形技术。由于该技术能够实现复合材料大面积的连续铺放，充分发挥复合材料大面积整体成形的优点，越来越多地应用于大尺寸复合材料制件。

自动铺带技术在欧美等发达国家早已广泛应用于复合材料制件的大批量生产，国内自动铺带技术研究起步较晚，并且一直处于平板试片级水平，未能将自动铺带工艺参数与零件成形质量建立对应关系，缺乏将自动铺带设备投入型号研制的数据基础，无法将设备应用于生产实际，因此，针对C919大型客机所用的材料，确定自动铺带技术的工艺窗口，建立铺贴工艺参数与成形零件质量之间的关系。研究针对自动铺带工艺过程中主要工艺参数开展，分析了铺设间隙、铺设压力、铺设温度、铺设施压参考面的变化对制件拉伸性能、压缩性能、剪切性能的影响。找出了自动铺带工艺中的极限铺设间隙和铺设温度，给出了适当的铺设压力及其设定方式以及确定了铺贴过程是否有必要进行真空预压实等，为自动铺带技术的大范围应用打下了坚实的基础。图3-38所示为机器人铺丝机。

图3-38　机器人铺丝机

6）复合材料整体共固化制造技术

复合材料整体共固化技术应用的主要技术难点在于其工艺方案如何实现内部结构加压，其模具设计方案如何实现共固化组件之间相互定位精度，以及如何使内部组件的预先成形，具有一定的刚度进行共固化之前的预组装。开展针对整体共固化的真空袋封装技术研究、解决内部组件定位的模具设计和制造技术研究。

随着复合材料在航天航空领域应用范围的不断扩大，增大零部件的尺寸，大量减少紧固件数量甚至是不使用紧固件，以构建整体结构，从而制造出更大型的装配件逐渐成为主流。大型整体构件能够有效减少装配步骤，降低成本和复杂性，并提高产品质量。复合材料构件自身的设计与制造特点也易于实现整体化和大型化。在航天航空领域，复合材料的应用能使许多原来用紧固件组装的部件集成为一个大型单件，并融合原组装部件中所有的设计和强度特点。在制造和装配阶段，更大型连接而成的部件或整体制造的大型零部件减少了劳动力，消除或显著减少了所需紧固件和配合孔的数量，同时还具有减重、取消轴向接头、减少装配误差等益处。