趙云峰 潘玲英

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 功能性碳纖維復(fù)合材料國家工程實驗室，北京 100076）

（3 樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新中心，北京 100076）

（4 中國航天科技集團有限公司復(fù)合材料成形與加工工藝技術(shù)中心，北京 100076）

文 摘 隨著航天裝備的發(fā)展，對輕質(zhì)的樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)提出了新的發(fā)展需求，推動了結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制造技術(shù)的新發(fā)展。本文重點從結(jié)構(gòu)復(fù)合材料材料體系、制造方法及應(yīng)用等方面介紹了近年來國內(nèi)外航天先進結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究與應(yīng)用新進展，并結(jié)合航天飛行器發(fā)展需求，對未來航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究與應(yīng)用發(fā)展方向進行了探討。

0 引言

樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料因其具有高的比強度、比模量、可設(shè)計性強、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，而逐漸替代金屬結(jié)構(gòu)用于航天裝備的主結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，提高燃料的利用率和有效載荷的質(zhì)量［1?4］。目前，樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用比例已成為衡量航天裝備先進性的重要標(biāo)志之一。隨著航天裝備的發(fā)展，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已在導(dǎo)彈、運載火箭、天地往返運輸系統(tǒng)、衛(wèi)星等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［1?7］，有效支撐了航天重大裝備的研制與發(fā)展。隨著航天運載器性能的提升和復(fù)合材料應(yīng)用比例的提高，其對復(fù)合材料的承載性、工藝性、穩(wěn)定性等提出了更高的要求，帶動了航天樹脂基復(fù)合材料技術(shù)及其制造技術(shù)的進步。本文將重點介紹近年來航天樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究與應(yīng)用方面的最新進展，并對未來航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制造技術(shù)的發(fā)展進行展望。

1 航天先進結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系研究進展

1.1 國外碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料體系

1.1.1 高性能環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料

隨著碳纖維和高性能環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，為滿足航天裝備的發(fā)展需求，新的高性能環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料體系不斷涌現(xiàn)。自20世紀(jì)70年代發(fā)展至今，已經(jīng)形成了T300級、T700級、T800級、T1000級和T1100級高強碳纖維以及M40、M55J、M60J高模碳纖維增強的系列樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其中應(yīng)用最為廣泛的環(huán)氧樹脂體系也由早期脆性較大的體系發(fā)展為韌性樹脂體系，由其制得的復(fù)合材料抗沖擊性能由200 MPa以下提高到300 MPa以上。近些年來，為了提高競爭力以及滿足更高性能復(fù)合材料對碳纖維的需求，國外相繼推出更高強度高模量的碳纖維，如日本東麗的T1100和M40X、赫式的IM10和HM50，三菱的MR70，東邦的XMS32等。與此同時，開發(fā)了與新型纖維匹配的環(huán)氧樹脂體系，復(fù)合材料性能也得到了大幅提升。例如，高性能3960樹脂與T1100G纖維制得的復(fù)合材料，其拉伸性能與前一代產(chǎn)品相比提升了30%［8］；IM10增強M91復(fù)合材料的拉伸強度和IM7/M21相比增加了20%以上，CAI和開孔拉伸強度均提高20%左右［9］，見表1。在樹脂研發(fā)過程中涌現(xiàn)出了新的制備技術(shù)，例如日本東麗公司采用NANOALLOY?納米尺度共混技術(shù)（圖1），開發(fā)了新型高強高模樹脂基體（牌號2574#）［10］，大幅提升了復(fù)合材料壓縮強度和彎曲強度。此外，針對輕質(zhì)低溫復(fù)合材料貯箱的應(yīng)用需求，國外近些年還重點開展了超低溫環(huán)氧復(fù)合材料方面的相關(guān)研究［11?15］，通過多輪次的材料?原理樣件?低溫考核迭代驗證，積累了大量的復(fù)合材料超低溫下力學(xué)性能數(shù)據(jù)，已解決液氧相容性、液氫抗?jié)B漏性等關(guān)鍵技術(shù)，并通過了液氫液氧貯箱原理樣機真實介質(zhì)測試。例如，美國波音公司采用自動鋪放、超薄預(yù)浸料等技術(shù)制備了Φ5.5 m的低溫復(fù)合材料貯箱，通過了地面試驗驗證，如圖2所示［14］。美國Space X公布的Φ12 m的碳纖維復(fù)合材料液氧貯箱，于2016年11月在海洋駁船上順利完成了三分之二爆破壓力的考核試驗，成為迄今為止報道中直徑最大的低溫復(fù)合材料壓力容器［15］。

式中，Ixx為車體的側(cè)滾轉(zhuǎn)動慣量；Y,Z分別為車體質(zhì)心的橫向與垂向位移；Cy為二系橫向減震器的阻尼；h為車體質(zhì)心距空簧上表面的垂向高度；Ky為空氣彈簧的橫向剛度；Kθ為抗側(cè)滾扭桿的抗側(cè)滾剛度；g為重力加速度。

表1 國內(nèi)外新一代碳纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料性能Tab.1 Properties of carbon fiber reinforce epoxy composites

圖1 Toray最新研發(fā)的2574#高模量樹脂F(xiàn)ig.1 2574#resin with high?flexural?strength

圖2 Ф5.5 m復(fù)合材料低溫貯箱Fig.2 Cryogenic composite tank with diameter of 5.5 m

1.1.2 高性能雙馬樹脂基復(fù)合材料

雙馬樹脂基復(fù)合材料是為滿足高速飛行器對輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用需求而發(fā)展起來的。目前國外已經(jīng)開發(fā)出多種商品化的共聚改性雙馬來酰亞胺樹脂，比如美國Narmco 公司研制開發(fā)的5250 樹脂，其復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐濕熱、耐高溫的性能。其中IM7/5250復(fù)合材料已在X?37B空天飛行器機身蒙皮、梁以及X?33 空天飛行器機翼面板蒙皮和箱間段等耐高溫部件使用，并成功通過飛行試驗。此外，針對低溫貯箱應(yīng)用的可行性，還對IM7/5250?4 復(fù)合材料的低溫防滲漏性能進行了表征［14，16］。美國Cytec公司并購Narmco 公司以后，又開發(fā)出5260 樹脂，其復(fù)合材料CAI值為345 MPa，最高使用溫度達177 ℃。Cytec公司還開發(fā)了連續(xù)工作溫度達250 ℃的5270雙馬樹脂復(fù)合材料［17］。Hexcel F652 雙馬樹脂在潮濕環(huán)境中長時間工作溫度為232 ℃，干態(tài)使用溫度可達316 ℃［18］，上述商品化的雙馬樹脂已經(jīng)達到二烯丙基雙酚A 改性雙馬樹脂體系的極限使用溫度。為了進一步提高材料的耐熱性，美國NASA在雙馬樹脂里面引入硅氮烷或硅碳烷，通過在高溫使用過程中硅烷的陶瓷化來改善雙馬樹脂基復(fù)合材料的耐溫性能，并指出該材料有望應(yīng)用于樹脂基和陶瓷基復(fù)合材料的中間過渡層［19?20］。

下面舉例對(N,m)維修模型系統(tǒng)進行說明，圖1所示系統(tǒng)中包含M=2個相同的運行單元，每個運行單元由p=1個MC和n=2個AC組成，當(dāng)收到某個MC的維修請求或收到m=3個AC的維修請求后對系統(tǒng)進行維修。

此外，針對液氫液氧復(fù)合材料貯箱應(yīng)用需求，航天材料及工藝研究聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢單位，開展了超低溫復(fù)合材料體系的研究，突破了低溫抗微裂紋樹脂設(shè)計、樹脂體系的液氧相容性、超薄預(yù)浸料制備等一系列關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出了國內(nèi)首件Φ3.35 m的低溫復(fù)合材料貯箱，如圖3所示。

重點發(fā)展多尺度強韌化、環(huán)氧樹脂協(xié)同增剛增強及界面匹配、碳纖維復(fù)合材料壓拉比調(diào)控機制、低溫復(fù)合材料的液氧沖擊敏感性和低溫防滲漏特性、高溫復(fù)合材料高溫條件下材料失效機制等基礎(chǔ)理論研究，為新一代結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系的開發(fā)及應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 國內(nèi)碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料體系

1.2.1 高性能環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料

國內(nèi)航天環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研制起步較晚，經(jīng)過30 多年的發(fā)展，已取得了明顯的進步，樹脂整體性能提高，樹脂種類日漸豐富，形成了與T300、T700 級碳纖維匹配的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料體系，并在運載火箭等航天裝備上得到廣泛應(yīng)用。環(huán)氧樹脂也由第一代發(fā)展到與T800級碳纖維匹配的第三代韌性環(huán)氧樹脂［26］，由其制得的T800 碳纖維增強復(fù)合材料的拉伸強度和模量分別為2 700 和150 MPa，沖擊后壓縮強度≥300 MPa，達到國外同類材料性能水平，目前處于批量制備與工程應(yīng)用驗證階段。近年來，針對航天結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料提出的高抗壓需求，航天材料及工藝研究所率先開展了第三代先進環(huán)氧樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究，牽引碳纖維研制單位開發(fā)出了新一代高強高模碳纖維TG40X。同時為了進一步提高復(fù)合材料的拉壓比，基于反內(nèi)增塑效應(yīng)和納米二氧化硅增剛增韌方法，研制出了高強高模樹脂603HM 樹脂，模量由傳統(tǒng)的3.5 提升到6.0 GPa。采用TG40X 和603HM 制得的復(fù)合材料性能如表1所示，材料壓縮強度從傳統(tǒng)復(fù)合材料的1 500 MPa 提高到2 100 MPa，壓拉比從0.50 提升到0.75，開啟了航天環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的新篇章。

隨著高溫樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展，20世紀(jì)70年代至今，國外先后開發(fā)了第一代到第四代耐300～500 ℃系列化聚酰亞胺復(fù)合材料體系［21?23］，并形成了商品化的預(yù)浸料產(chǎn)品，如Renegade Materials 公司的RM?1100，AFR?PE?4 以及日本東麗的RS51，TC890等，為其擴大應(yīng)用提供了材料基礎(chǔ)。近幾年來，在耐316 ℃PMR?15 和耐371 ℃PMR?Ⅱ為代表的第二代聚酰亞胺復(fù)合材料工程推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上，國外重點發(fā)展了有機無機雜化聚酰亞胺樹脂及其復(fù)合材料的研究［24?25］。研究發(fā)現(xiàn)，將含硅單體引入到分子結(jié)構(gòu)中，可以顯著改善樹脂的工藝性，降低熔體黏度，同時提升其熱氧化穩(wěn)定性。GREGORY 等人［24］采用多面體聚倍半硅氧烷（POSS 結(jié)構(gòu)）單體替代毒性的MDA單體，在改善工藝性的同時，還顯著改善了樹脂的耐濕熱性，同時可有效阻止高溫老化裂紋的產(chǎn)生。同時，POSS 結(jié)構(gòu)聚酰亞胺在高溫條件下表層形成了無機二氧化硅保護層，可隔絕氧氣的進一步侵蝕，從而提高材料熱氧化穩(wěn)定性。同樣采用相似的原理，美國的Performance Polymer Solution 公司推出了含硅的P2SI 900HT 樹脂，該樹脂的Tg高達489 ℃，其在700 ℃暴露1 min 后，仍具有一定的承載性能，成為第四代聚酰亞胺樹脂的典型代表。隨后Tencate 公司采用該樹脂開發(fā)了TC890 預(yù)浸料，實現(xiàn)了該材料體系的商品化。

圖3 Φ3.35 m低溫復(fù)合材料貯箱Fig.3 Cryogenic composite tank with diameter of 3.35 m

1.2.2 高性能雙馬樹脂基復(fù)合材料

針對高速長時飛行的航天裝備對輕質(zhì)耐高溫復(fù)合材料的應(yīng)用需求，國內(nèi)開展了雙馬樹脂為代表的高溫樹脂及其復(fù)合材料的研制。航天材料及工藝研究所開發(fā)了GW?300 和803 雙馬樹脂體系，最高耐溫等級達到300 ℃，其中803 樹脂是第一代航天用耐高溫雙馬樹脂，該雙馬樹脂體系工藝性良好，適用于熱熔預(yù)浸料工藝，解決了雙馬樹脂體系熱熔法預(yù)浸料制備與室溫鋪覆性差的難題。近年來，針對航天裝備承力結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成型工藝要求，對803耐高溫雙馬樹脂進行了工藝性和耐熱性升級，升級后的802耐高溫雙馬樹脂能夠?qū)崿F(xiàn)流動可控，滿足初始加壓要求，采用該樹脂制備的不同結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品可實現(xiàn)同時進罐固化，制備的產(chǎn)品不但內(nèi)部質(zhì)量良好，而且大幅降低了制造成本，實現(xiàn)了航天高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制品的批量穩(wěn)定制備。此外，針對航天短時高耐溫的應(yīng)用需求，航天材料及工藝所還率先開展耐280 ℃雙馬樹脂及復(fù)合材料的研制，開發(fā)了Tg高達378 ℃的新型雙馬樹脂，由其制備的復(fù)合材料280 ℃強度保持率在50%以上，模量保持率在80%以上。

3、安裝到位，門窗框、扇無變形，開啟靈活，關(guān)閉嚴(yán)密。門窗框與洞口邊緣連接緊密、抹灰平整，窗臺表面處理平整。

1.2.3 高性能聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料

谷老板見可蔓竟敢這樣在日本兵面前放肆，不由又驚又急，忙上前擋住她，笑著對鬼子軍官說，小姑娘的不懂事，太君不要生氣。

在聚酰亞胺樹脂方面，經(jīng)過多年積累取得了長足的進步，從最初對國外技術(shù)的跟蹤模仿，目前已跨入自主創(chuàng)新研發(fā)階段，已開發(fā)出了系列化的耐300～500 ℃不同耐溫等級的樹脂，并成功應(yīng)用在各型航天裝備上［27］。其中石英纖維增強的聚酰亞胺復(fù)合材料因其優(yōu)異的介電性能，且在寬溫域、寬頻帶范圍介電性能極其穩(wěn)定，在北斗衛(wèi)星、新一代運載火箭以及武器系統(tǒng)等得到了廣泛的應(yīng)用；同時碳纖維增強的聚酰亞胺復(fù)合材料也在舵翼類的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品上得到了推廣應(yīng)用。近些年，針對工藝性和耐溫性協(xié)同問題，航天材料及工藝研究所開發(fā)了第三代耐420 ℃聚酰亞胺樹脂及復(fù)合材料體系［28］，Tg高達455 ℃，復(fù)合材料在420 ℃下彎曲強度保持率≥60%，彎曲模量保持率≥90%，層間剪切強度保持率≥60%，熱壓罐成型聚酰亞胺復(fù)合材料的孔隙率低于1%，實現(xiàn)了工藝性和耐熱性的協(xié)同。在此研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出了有機無機雜化的分子設(shè)計思路，成功研制出了第四代耐500 ℃聚酰亞胺樹脂及復(fù)合材料研究，該體系Tg大于550 ℃，且500 ℃彎曲強度保持率≥55%，彎曲模量保持率≥85%，并采用熱壓罐成型了翼舵類產(chǎn)品，通過了500 ℃靜熱聯(lián)合試驗考核，滿足設(shè)計指標(biāo)要求，該體系綜合性能優(yōu)于國外的P2SI 900HT體系，說明我國航天聚酰亞胺復(fù)合材料技術(shù)達到了國際先進水平。

2 航天先進結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造技術(shù)研究進展

2.1 國外先進結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造技術(shù)

2.1.1 液體成型技術(shù)

1.1.3 高性能聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料

液體成型作為一個低成本高效率的成型工藝，在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來，美國和俄羅斯也針對性地發(fā)展了耐高溫的液體成型用樹脂體系，如雙馬樹脂、聚酰亞胺樹脂和鄰苯二甲腈樹脂等［29?34］。目前雙馬樹脂已實現(xiàn)成熟商品化應(yīng)用（如Cytec 公司的5250?4RTM 樹脂），鄰苯二甲腈樹脂由于其優(yōu)異工藝性和耐溫性也獲得快速發(fā)展。美國Maverick 公司已完成了RTM 成型鄰苯二甲腈樹脂（MVK?3）的工業(yè)化生產(chǎn)［30?31］，俄羅斯ITECMA公司也開發(fā)出了液體成型用的鄰苯二甲腈樹脂，使用溫度范圍涵蓋350～500 ℃。此外，美國GKN 公司、雷神公司等利用鄰苯二甲腈樹脂通過RTM 工藝制備了發(fā)動機零部件、導(dǎo)彈頭錐等產(chǎn)品，實現(xiàn)該體系的成功應(yīng)用［32］。在液體成型聚酰亞胺樹脂方面，研制出了PETI?298，PETI?330，PETI?375 等系列化的苯乙炔苯酐封端的樹脂體系［32?33］，研究工作主要集中在提高耐溫等級、降低熔體黏度、拓寬灌注工藝窗口等。近期瑞典Swerea SICOMP AB 將乙炔基雙鄰苯二甲酸酐（EBPA）引入苯乙炔基封端聚酰亞胺樹脂中，制備了交聯(lián)密度更高的RTM 樹脂NEXIMID MHT?R。該樹脂的最低熔體黏度小于0.6 Pa?s，具有較寬的加工窗口，經(jīng)過370 ℃固化后Tg為370 ℃，經(jīng)過400 ℃以上溫度后固化處理后Tg最高可達466 ℃［34］，在改善樹脂工藝性的同時，耐溫性也得到了大幅的提升。

2.1.2 自動化成型技術(shù)

經(jīng)過多年的發(fā)展，航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系逐漸完善，性能不斷提升，在航天裝備上的應(yīng)用比例和范圍不斷提高和拓展。隨著航天裝備輕量化發(fā)展以及關(guān)鍵材料自主可控的應(yīng)用需求，航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料也呈現(xiàn)出多維化的發(fā)展態(tài)勢，在提高性能的同時，追求低成本化及全面國產(chǎn)化和多功能化，制造技術(shù)也向著自動化、數(shù)字化及智能化方向發(fā)展。

圖4 低溫復(fù)合材料貯箱纏繞成型過程Fig.4 Winding process of cryogenic composite tank

圖5 多機器人鋪放Fig.5 Multi?robot automatic placement

2.1.3 復(fù)合材料加工及其結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)

（1）加強復(fù)合材料基礎(chǔ)理論研究

在這個“入乎其內(nèi)”和“出乎其外”的過程里，讀書人的主體角色值得認真思考，他不是一個被動的接受者，更不是游談無根的夸夸其談?wù)?，虛心涵泳，然后“博學(xué)、審問、慎思、明辨而躬踐之”。讀書的過程，是讀書人在所讀之書與現(xiàn)實之間進行不斷對話和詮釋的過程，讀書人“入乎其內(nèi)”，體會原書的精神，吸收書的營養(yǎng)，同時要能“出乎其外”，用之于天下國家，在這過程里，讀書人自己的狹隘生命體驗得到了擴充，即孟子所謂“養(yǎng)浩然之氣”。同時，為改變現(xiàn)實，又必須對書進行創(chuàng)造性詮釋和轉(zhuǎn)化，使自己當(dāng)下的生命和文化灌注到古書之中，使古書具有了生機活力，成為改造現(xiàn)實、規(guī)劃未來的參考。

2.2 國內(nèi)先進結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造技術(shù)

2.2.1 液體成型技術(shù)

國內(nèi)航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在低成本液體成型技術(shù)方面，開發(fā)的液體成型環(huán)氧樹脂和雙馬樹脂已經(jīng)在電纜罩、熱防護板、帽形件等航天構(gòu)件上成熟應(yīng)用。針對高速飛行器的研制需求，近幾年來重點開展了耐高溫RTM 成型用樹脂體系。航天材料及工藝研究所與中科院化學(xué)所聯(lián)合開展了鄰苯二甲腈樹脂及其RTM 成型工藝研究，采用液體成型工藝研制出了耐400 ℃的鄰苯二甲腈復(fù)合材料構(gòu)件，實現(xiàn)了工程應(yīng)用。在耐高溫聚酰亞胺樹脂方面，重點開展了樹脂工藝性改進方面的工作，研制出了具有較低灌注溫度（210 ℃）、Tg為355 °C 超低黏度樹脂體系，灌注工藝窗口大于2 h［42］。目前正在開展Tg大于400 ℃，灌注溫度小于280 ℃的新型更高耐溫的材料體系，以適應(yīng)航天裝備發(fā)展的新需求。

2.2.2 自動化成型技術(shù)

國內(nèi)復(fù)合材料自動化成型技術(shù)發(fā)展較晚，應(yīng)用研究基礎(chǔ)條件薄弱，制造工藝落后，而樹脂基復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)自動化成型技術(shù)尚處于應(yīng)用初步階段，尚未形成樹脂基復(fù)合材料自動化成型技術(shù)體系。在自動纏繞成型技術(shù)方面，航天材料及工藝研究所和西安航天復(fù)合材料研究所較早開展了纏繞工藝研究和工程應(yīng)用?！笆晃濉逼陂g，航天材料及工藝研究所開展了筒形回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)自動化纏繞技術(shù)研究工作，采用掛銷釘?shù)姆菧y地線纏繞成型工藝，實現(xiàn)了柱形艙段矩形和三角形網(wǎng)格的自動化纏繞，如圖6所示?！笆濉逼陂g，網(wǎng)格纏繞技術(shù)實現(xiàn)了三角網(wǎng)格艙段干法纏繞成型，并在型號產(chǎn)品上應(yīng)用。同時，在實現(xiàn)常規(guī)復(fù)合材料氣瓶批量穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，低溫復(fù)合材料氣瓶制造技術(shù)初步突破，研制了56/130 L氣瓶樣件，并通過了初步的性能評價。在自動鋪放技術(shù)方面，航天材料及工藝研究所聯(lián)合南京航空航天大學(xué)在國內(nèi)率先開展自動鋪帶、鋪絲技術(shù)研究，研制了鋪帶、鋪絲原理樣機、工程樣機多臺，并實現(xiàn)了自動鋪帶技術(shù)在筒段結(jié)構(gòu)上的規(guī)模應(yīng)用［43］。近年來，航天材料及工藝研究所先后突破了雙向快切鋪帶、面對稱形面鋪絲、交織鋪放和網(wǎng)格鋪放等新技術(shù)，且交織鋪放和網(wǎng)格鋪放技術(shù)為國內(nèi)首創(chuàng)［44?45］，如圖7所示。

圖6 交織鋪放過程Fig.6 AFP processing of crossing intersection ply laminate

圖7 網(wǎng)格鋪放過程Fig.7 AFP processing of grid

2.2.3 復(fù)合材料加工及其結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)

國內(nèi)航空航天領(lǐng)域在數(shù)字化、自動化、柔性化等方面通過引進和創(chuàng)新，在先進加工、裝配技術(shù)方面已初步形成了一定的基礎(chǔ)和較為完善的發(fā)展思路。國內(nèi)航天企業(yè)因承擔(dān)國防基礎(chǔ)裝備研制和開發(fā)，無法與美國等西方發(fā)達國家開展技術(shù)合作和設(shè)備引進，只能走自主研發(fā)的道路。復(fù)合材料加工方面，針對不同材料體系、結(jié)構(gòu)特點基本形成了較為完善加工工藝體系，也引進了部分先進的特種加工工藝技術(shù)，如芳綸纖維復(fù)合材料以及石英纖維聚酰亞胺復(fù)合材料低損傷加工技術(shù)等，實現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高效高精度加工［46?47］。但是在先進加工工藝方法、加工效能提升、刀具系列化、基礎(chǔ)加工工藝研究等方面還需進一步開展研究和應(yīng)用工作。復(fù)合材料部段裝配經(jīng)過幾十年的發(fā)展，經(jīng)歷了從人工裝配、半機械/半自動化裝配、自動化裝配的發(fā)展歷程。目前在“中國制造2025”等大背景下，國內(nèi)航空航天復(fù)合材料研制單位進行了大量的數(shù)字化、自動化、柔性化裝配技術(shù)研究，特別針對飛機等復(fù)合材料艙段、部段結(jié)構(gòu)，開發(fā)了自動鉆鉚、可重構(gòu)的模塊化定位、先進的測量及反饋等技術(shù)，如圖8所示，減少了操作人員數(shù)目，提高制孔質(zhì)量，減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力，大大提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體性能，提升了裝配質(zhì)量和效率［39?40］。

圖8 自動鉆鉚工藝示意圖Fig.8 Process of automatic drilling?riveting

3 航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料發(fā)展展望

在發(fā)展液體成型為代表的低成本制造技術(shù)的同時，國外還著重開展了以自動纏繞和鋪放為代表的自動化成型技術(shù)。自動纏繞工藝在發(fā)動機殼體、網(wǎng)格艙段結(jié)構(gòu)以及壓力容器等構(gòu)件上廣泛應(yīng)用。近年國外研發(fā)熱點之一的低溫復(fù)合材料氣瓶和小型低溫復(fù)合材料貯箱也采用纏繞成型技術(shù)。美國知名軍火、火箭及空間站制造商ATK 公司采用纏繞工藝制備了Φ3.66 m×9.5m Castor300 碳纖維低溫燃料貯箱，并進行了驗證測試［35］，如圖4所示。目前纏繞成型的低溫復(fù)合材料氣瓶及小型低溫貯箱已在獵鷹9和電子號等火箭上應(yīng)用，表明國外纏繞技術(shù)又有新的發(fā)展。在自動鋪放技術(shù)方面，美國ATK 和法國宇航公司已采用該技術(shù)開發(fā)研制出復(fù)合材料整流罩、儀器艙段及導(dǎo)彈發(fā)射筒等構(gòu)件，如圖5所示。在蒙皮類構(gòu)件自動鋪放技術(shù)的基礎(chǔ)上，國外還進行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、桁條結(jié)構(gòu)等特種結(jié)構(gòu)的自動鋪放技術(shù)研究，且加拿大ISOGRID 公司已完成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特種鋪放設(shè)備的研制［36］，并應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件制備，已供給國外航天領(lǐng)域用于型號研制，技術(shù)基本成熟。同時，基于低成本高效制備技術(shù)的發(fā)展需求，國外還發(fā)展了干紗鋪放+樹脂灌注非熱壓罐成型、多機器人鋪放、多窄帶并鋪技術(shù)等自動鋪放工藝方法［37?38］。

隨著復(fù)合材料應(yīng)用水平和范圍的不斷擴大，對復(fù)合材料及其構(gòu)件的性能要求也不斷提高，傳統(tǒng)復(fù)合材料加工裝配工藝方法及模式已難以滿足新材料以及未來高性能、短周期的制造要求；復(fù)合材料部段結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、異形化、集成化、系列化、模塊化特點也使傳統(tǒng)的裝配方式必須進行改進以滿足新產(chǎn)品的研制需求。目前國外發(fā)達國家軍工企業(yè)依托先進的數(shù)控設(shè)備，大力開展數(shù)字化加工技術(shù)的應(yīng)用研究，數(shù)控設(shè)備的普及率達到80%以上，數(shù)控設(shè)備利用率達到60%～80%。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，數(shù)字化加工裝配技術(shù)也逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。國外軍用民用飛機裝配過程中，采用了大量的自動化、數(shù)字化的裝備及技術(shù)，柔性化、模塊化、智能化的制造思想也逐步融入其中，特別是飛機壁板類部段的自動鉆鉚、部段間的柔性化對接等技術(shù)較為廣泛和成熟，已從由單臺數(shù)控自動化設(shè)備向由自動化裝配工裝、模塊化加工單元、數(shù)字化定位和檢測系統(tǒng)、復(fù)雜多軸數(shù)控系統(tǒng)和離線編程與仿真軟件等組成的自動化裝配系統(tǒng)發(fā)展［39?41］。近些年國外隨著新型傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)生產(chǎn)方式也在發(fā)生著變革，以數(shù)字化為基礎(chǔ)的智能制造模式應(yīng)運而生。國外發(fā)達國家在現(xiàn)有數(shù)字化、自動化生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，將大數(shù)據(jù)采集及分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、工業(yè)機器人及其先進制造設(shè)備、信息安全、仿真制造等進行高度集成，提升制造業(yè)數(shù)字化、自動化、智能化水平。

在“展開技術(shù)比拼”議程中，教師引導(dǎo)學(xué)生從多個維度對比種子繁殖和嫁接繁殖的利弊，讓學(xué)生體悟到結(jié)合生產(chǎn)實際需要，能夠趨利避害地選擇恰當(dāng)?shù)姆敝撤绞?，甚至將兩種繁殖方式進行有機的結(jié)合——在不同的繁殖階段采用不同的繁殖方式，都是適應(yīng)社會發(fā)展和技術(shù)進步的體現(xiàn)。在該部分教學(xué)活動中，學(xué)生通過自主對比學(xué)習(xí)，結(jié)合生產(chǎn)實際需要和社會發(fā)展趨勢，能夠樹立采用合理的繁殖方式加以推廣應(yīng)用的觀點，不僅僅實現(xiàn)了對學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，更是有效激發(fā)了學(xué)生的社會責(zé)任。這一舉多得的設(shè)計與核心素養(yǎng)創(chuàng)設(shè)的總體框架相吻合。

通過以上現(xiàn)象不難推出，軌枕在脫模過程中由于兩端不同步脫出致使一端軌枕擋肩被卡在模具里，而另一端已經(jīng)脫出，從而由于軌枕自重等因素將軌枕拉裂。

（2）發(fā)展新型前沿材料技術(shù)

已故女畫家孫多慈女士是吳健雄一輩子的閨蜜，孫多慈比吳健雄小一歲。她們相識于中央大學(xué)，那時她們一個讀藝術(shù)系，一個在物理系。孫多慈回憶當(dāng)年青春逼人的吳健雄簡直是魅力四射、男女通吃：“遠在民國20年即1931年，我們同在南京中央大學(xué)讀書，那時的健雄是一個嬌小玲瓏、活潑矯健的女孩子。她是江蘇太倉人，一雙神采奕奕的眸子，靈巧的嘴唇，短發(fā)，平鞋，樸素大方但剪裁合身的短旗袍。在兩百左右的女同學(xué)中她顯得那樣地突出，當(dāng)然她也是一般男孩子的追求目標(biāo)。不僅男孩子，女孩子竟也有人為她神魂顛倒呢?！?/p>

不同溫度環(huán)境下，隨著溫度的升高，對雞群的休息行為產(chǎn)生的影響較大。通常雞在休息時，坐姿姿勢需要消耗的能量較少。當(dāng)溫度升高到26 ℃和30 ℃后，由于雞坐姿休息的百分比明顯下降，導(dǎo)致雞休息行為紊亂，導(dǎo)致休息質(zhì)量下降，不利于雞群健康生長。此外，保持雞群體溫恒定是提高雞生產(chǎn)效率的前提，本次試驗發(fā)現(xiàn)，26 ℃環(huán)境下，雞體核溫度變化幅度較小，隨著溫度升高，體核溫度呈現(xiàn)升高趨勢。同時，上下丘腦刺激會影響各個激素的分泌，溫度升高后，會顯著影響熱休克蛋白的濃度，最終導(dǎo)致雞出現(xiàn)熱應(yīng)激現(xiàn)象，顯著影響雞群的正常生長。上述多方面的影響因素作用，會使肉雞的生產(chǎn)性能呈現(xiàn)下降趨勢。

重點研發(fā)第三代先進結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、超結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、耐液氫液氧復(fù)合材料、碳纖維蜂窩及夾層復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)/防熱一體化梯度復(fù)合材料等新型材料體系，逐步實現(xiàn)航天復(fù)合材料由“跟蹤仿制”到“自主創(chuàng)新”的轉(zhuǎn)變。

（3）推動關(guān)鍵材料應(yīng)用

重點開展第二代先進結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、耐高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)透波一體化復(fù)合材料等關(guān)鍵材料的工程化應(yīng)用技術(shù)研究，進一步拓寬結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

（4）發(fā)展高效工藝及數(shù)字化機加裝配技術(shù)

重點開發(fā)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的RTM 成型、自動鋪絲/鋪帶、3D 打印、高效低損傷加工、數(shù)字化裝配、成型?機加?裝配數(shù)字化集成制造等制造技術(shù)，推動航天復(fù)合材料制造技術(shù)低成本、自動化、數(shù)字化的發(fā)展進程。

（5）完善質(zhì)量提升技術(shù)

通過對某快遞公司在該項業(yè)務(wù)上所消耗的人員成本情況進行定量分析，發(fā)現(xiàn)快遞公司是通過投入大量的運力資源，來達到保證即時配送準(zhǔn)時送達率的目的。所以，在保證服務(wù)時效的同時降低人員成本，從而提高快遞公司在該項業(yè)務(wù)上的收益，是快遞公司當(dāng)前所亟待解決的問題。因此，在滿足配送時間窗的條件下，針對快遞公司現(xiàn)存問題提出以配送員每次配送的收入最大為目標(biāo)函數(shù)，借此來降低運力的數(shù)量，降低人員成本的支出，從而達到提高快遞公司收益的目的。假定(1)配送員的配送速度v均為同一定值；(2)配送員每次的配送量不能大于最高要求；(3)配送員每次的配送量不能小于最低要求；(4)配送員在取貨點取貨所消耗的時間均忽略不計。

重點開展預(yù)浸料鋪覆工藝性能評價體系完善及其性能提升、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及大型構(gòu)件缺陷產(chǎn)生機制及控制方法、結(jié)構(gòu)選材優(yōu)化等研究，進一步提升結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及工藝質(zhì)量控制水平。