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一、國內外航空復合材料研究與應用進展

1國外航空復合材料研究與應用進展先進復合材料于20世紀60年代中期一問世，即首先用于飛行器結構上。30多年來先進復合材料在飛機結構上的應用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結構到功能、由軍機應用擴展到民機應用的發展道路[1]。鑒于復合材料對飛機機體結構的重要性，美、歐等世界航空發達國家和地區十分重視復合材料技術的研究，從20世紀70年代開始，以美國為主導，進行了一系列旨在提高復合材料技術水平、降低復合材料成本的研究計劃，并最終取得大量的研究成果，為如今復合材料在飛機上的大面積應用奠定了基礎，表1列出了歐、美部分復合材料研究與應用計劃。可以看出，美、歐等國十分重視復合材料的基礎研究，在復合材料發展的各個階段開展了相應的研究計劃，并以NASA等國家部門為發起者，各大制造廠商及科研單位參與的方式，這樣目標明確，針對性強，在提高復合材料基礎理論研究水平的同時，更注重成果的工程化應用，技術上的不斷提升也為工程化批生產奠定了基礎。值得注意的是，美、歐航空工業發達國家十分注意技術的積累，并形成了一系列的標準規范，經過了幾十年的工程化發展，在設計、材料、制造和試驗等方面已經形成了規范化、標準化的完善體系，進而保證了目前如波音787、A380、A350等大型飛機的研制及生產。事實上，在復合材料研究的各個階段也形成了相關的指導性文件，見表2。這些指導性文件為航空復合材料結構設計、制造及適航認證提供了依據和指導，也為工程化應用提供了理論基礎。此外，各大飛機公司也都形成了自己的設計手冊，并不斷修訂，以起到指南和規范的作用。在材料和工藝上也形成了自己的規范，以確保復合材料部件具有良好的重復性。以波音公司為例，復合材料方面的材料標準(如BMS8、BMS9系列)就有幾百項，包括了從第1代的T300及其環氧基復合材料到目前的T800H及其增韌復合材料。在成型工藝方面，最具代表性的就是BAC5317系列，操作標準可以明確產品的制造方法和要求，是標準作業和管理的根本，也是取得相關認證的基本條件。

2國內航空復合材料研究與應用進展國內航空復合材料的研究和發展于20世紀70年代初開始，30多年來的研究發展也具有了一定的規模和水平，取得了相當的進步和成果。國內復合材料結構已用于各種軍機，如某型號垂尾安定面整體結構、某型號機翼加筋壁板等。成型技術上如中航復合材料有限責任公司的整體加筋壁板共固化成形技術、蜂窩夾層結構共膠接整體成形技術等已接近世界先進水平。針對目前型號生產多品種、小批量的生產狀況，相關單位已完成了工藝改進，優化排產，為工程化應用奠定了基礎。另外，復合材料在國內大型民用飛機上的應用研究已經展開，圖1為相關設計與研制部門完成的π型加筋全尺寸復合材料平尾，已通過了靜力試驗。圖2為正在研制的民機機身及中央翼復合材料結構。經過多年的復合材料技術研究及應用實踐，國內先后出版了《復合材料結構設計手冊》、《先進復合材料手冊》、《復合材料耐久性損傷容限設計指南》、和《復合材料結構修理指南》等，并開發了相關設計、分析軟件，建立了比較完整的技術標準。雖然我國在復合材料研究與應用技術上取得了一定成就，但復合材料結構設計思想偏于保守，制造工藝相對落后，研制與生產成本較高，復合材料工程化應用水平相對較低。因此必須開展復合材料技術與工程化應用研究工作，以滿足我國日益增長的航空復合材料結構需求。

二、國內復合材料工程化存在的主要問題

1技術問題國內復合材料工程化過程存在的主要技術問題有3點：第一，設計-制造分離：由于預研攻關階段所承擔的任務大多是新結構，一些技術還達不到設計的預期，并且設計階段工藝人員參與少，技術反饋少，一旦定型，將出現當初“認為”的小問題可能成為質量改進上的大問題，如高溫樹脂體系的高粘度特性與陰模成型拐角缺陷的關聯性問題。另外，作為工藝方面遇到的一些問題有時也沒有及時反應給設計方，造成再次設計時，還出現原來的問題。第二，相關缺陷機理認識不透；目前普遍存在的現象是技術儲備少，預研周期短，投入不足，試驗不充分。新技術一旦研發出來就投入應用，加上生產條件及認識的局限，一些問題的認識深度不夠，經驗不足，導致后期的批產中出現大量質量問題。如國內在RTM、RFI、VARI等低成本制造工藝及配套基體樹脂方面具備了一定技術積累，但未形成涵蓋設計/制造諸多方面的技術體系，存在材料，設計，制造技術的不完善。一旦進入工程化階段，將暴露處很多技術問題。第三，過程波動無法徹底解決：主要表現在對原材料質量、工藝過程、外部配套等不穩定因素造成的產品質量問題不能從技術上制定出全面解決措施，因此產品質量的穩定性無法保證在一定范圍內。

2標準及規范國內復合材料制造的相關標準和規范還不盡完善，目前，除了HB5342《復合材料航空制件航空質量控制》等極少的標準外，制造過程中，可參考的標準規范很少。設計、材料、工藝方面缺乏明確的模式規范，新產品制造時，很難迅速地確定工藝步驟和具體內容，而且規范的制定過程主要依賴于經驗和部分試驗結果，缺乏量化的輔助分析手段，難以針對具體的生產對象建立既可保證制件質量要求，又可將生產成本控制在最小程度上的優化的工藝規范。

出于相同原因，質量控制規范往往不得不采用模糊的，非數值化的規定方式，這對于構件批量生產過程中的質量控制是不利的。工藝規范單一地依賴于工藝試驗結果，難以對不同批次產品生產過程中的各種不定因素作出準確反應。由于復合材料基體樹脂的性能分散性遠高于一般金屬材料，這方面的欠缺會在制造高質量要求的復合材料產品時導致較高報廢率的問題。 

3成本問題復合材料工程化應用直接帶來了一個問題就是產品成本的急劇增加。造成復合材料成本過高的原因除了原材料(主要是碳纖維)成本因素外，還包括工藝成本如目前的熱壓罐成型技術,雖然可用來制造高性能的復合材料,但同時也存在設備投資高、耗能大、輔助材料費用高、工藝過程長等缺點,導致復合材料制造成本很高。另外，制造工藝方法不通用也是高成本的因素，如某一結構從大量試驗摸索形成的一種較合理的工藝方案,只適用于該結構，一旦結構發生改變,又需重新試驗，還存在相同的材料體系和類似的結構不同工藝參數的現象，這樣就增加了人員及能耗成本。高成本的另一原因是自動化應用水平低，而且目前由于缺乏標準規范及實踐經驗，自動化設備的應用成本也較高。生產過程中還存在制造質量可控性差,成本意識低，缺少精益生產理念和實踐，同時還存在缺陷產品的鑒定、評價、檢測、維護等高費用。

三、國內復合材料工程化相關建議

1技術方面復合材料生產過程中很多技術問題表面上看是在最初的設計-制造過程中沒有充分考慮結構及材料體系適宜性，缺少結構、模具、材料體系及工藝參數等對缺陷形成機理的關聯試驗。實際上是缺少關鍵技術的研究，沒有建立設計-制造一體化DFM(Design for Manufacture)技術，缺少具有針對性的復合材料的相關預研計劃，沒有相應的研究作為工程化作基礎。建議以相關航空復合材料研究部門為依托，聯合主機廠所、科研院校建立國家級的研究平臺，研究內容包括復合材料結構設計，制造，檢測，維修及可靠性評價。設計時要充分考慮發揮復合材料自身的優勢，突破追求高性能的傳統思想，轉向追求高可靠性、低成本等綜合平衡的設計理念，并且在設計階段就要考慮制造和裝配問題，從源頭上解決成本問題，這樣就可以加快產品的研制進度，提高效率，有效降低成本。在成型過程中要充分利用和開發自動化和數字化技術，如加快自動鋪帶/鋪絲技術的工程化應用，提高過程控制水平，減少人為因素的影響。另外，還應發展復合材料制造過程模擬與工藝參數優化技術，如大型構件和復雜構件的固化變形模擬分析技術，重視工程計算分析方法和相關設計軟件的開發，消除傳統的依賴于工藝試驗和經驗模式，轉向基于模擬分析的快速預測和優化模式，實現復合材料制造過程數字化分析和制造。

2標準方面復合材料的研究和工程應用過程要注意和重視文件標準和規范的制定與執行。在標準規范的制定上要統一，開發編制國標、航標和企業標準，提高最終產品的一致性，其目的在于將復合材料的設計和鑒定文件化、規范化，形成統一指南，減少風險和降低成本。在設計上，雖然采用了“積木式”設計方法，但其材料許用值和設計許用值的確認缺乏科學方法，富裕度較大，導致復合材料優勢不明顯，因此必須加強結構強度等規范的研究，加強材料和設計許用值的確定方法，建立數據庫。對于材料規范要規定材料性能及相應的工藝要求，一方面為設計和生產制造人員提供材料數據，另一方面也可以作為材料認證和材料供應商的依據，其相應的制造工藝要求應編入工藝規范，并規定滿足該要求的詳細工藝過程，這樣在零件制造時，只需根據工藝規范編制制造大綱等操作文件，其操作方法及工藝相同，即相同材料的零件可以采用相同的工藝，可以同時制造、進罐。在材料應用方面，應盡快形成材料等同性判據準則以為材料的替代使用提供依據。另外，在模具設計方面，應形成模具設計-制造規范，并向數字化方向發展，還應考慮模具使用的成本問題，如考慮同類型模具的形式及模具的熱容量，做到同類零件可以同時進罐固化，設計時還應考慮模具使用的防錯方法等。

3制造成本方面復合材料制造成本包括：材料（主材和輔助材料）成本、設備成本、人員成本和工藝成本。材料成本方面，在主材的應用上，采用盡量少的材料品種，實現一材多用的目標，這是由于使用新材料需要大量的投資以建立設計所需的龐大數據庫，以及由于缺乏使用經驗而需冒較大的風險。使用中應通過數字化鋪層分析及下料，特別是針對復雜結構，再用CAD進行排版來提高材料利用率。在輔助材料的應用上，積極引用一些價格低廉、適用的輔助材料，以及輔助材料的重復利用來降低材料成本。設備成本方面，對于熱壓罐工藝可以通過多模具進罐及一模多件的方式來提高熱壓罐利用率，從而降低熱壓罐成本，而對于自動鋪帶設備，雖然可以降低人員成本，但設備價格昂貴，需要從技術成熟度、產品特性、生產計劃方面來綜合考慮。人員成本方面，可以針對復合材料工程化生產不同工序建立相應的操作班組，提高人員操作的熟練程度，減少生產工時等。工藝成本方面，對于熱壓罐工藝可以通過提高材料的工藝性，如改善樹脂的工藝性，取消吸膠工藝，固化時，直接加壓，無需中間保溫臺階，也可以通過工藝優化，縮短工藝路徑和時間等方法來降低工藝成本。通過不斷完善共固化/共膠接整體成型技術來減少緊固件及裝配成本。還可以開發OOA（Out of autoclave）熱壓罐外固化預浸料體系及推廣RTM（Resin Transfer Moulding）樹脂轉移模塑等低成本技術來降低成本。

四、結束語

目前，國內航空復合材料工程化水平與國外的差距表現為基礎研究不充分，產品質量波動大，生產管理過程沒有充分體現考慮成本的制造。應通過復合材料技術研究和工程應用過程，逐步解決關鍵技術及瓶頸問題，建立生產管理體系，完善標準及規范，提高標準化作業、設備控制精度、模具設計-制造、自動化及數字化的應用水平以及解決工藝問題的經驗及技術手段，為我國日益增長的航空復合材料應用工程化制造提供依據。

作者：邱啟艷程文禮徐洪波陳靜單位：中航復合材料有限責任公司