郭俊剛 張新娟 田亦瑤 閆 超 蔣建軍 李玉軍

（1 中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089）

（2 西北工業(yè)大學機電學院，西安 710072）

0 引言

燃油價格的攀升與飛行航程的增大對飛機結構的先進性和可靠性提出了更加嚴苛的要求。復合材料憑借其高比強度、比模量以及良好的抗疲勞性，已經(jīng)成為實現(xiàn)飛機輕量化的主要手段之一，也成為了航空制造領域競相研究的方向之一［1］。從20世紀70年代起，先進復合材料在航空航天領域的應用逐漸從結構簡單的次承力構件發(fā)展到復雜的主承力構件，并越來越廣泛地被應用在各種飛行器的制造上［2-7］。截止目前，國際先進民機的復合材料用量已經(jīng)突破50%，燃油效率提高超過20%，質量減輕達20%～30%，維護成本下降30%［3］，復合材料的運用逐漸成為提升新一代大型飛機核心性能的關鍵技術之一，其用量也成為衡量飛機先進性的重要標志［8］。

復合材料用量隨著飛機性能要求的提高而提升，然而，復合材料的高額成本制約了其應用和推廣。據(jù)統(tǒng)計，70%的航空復合材料構件成本來源于制造，降低制造成本是突破復合材料發(fā)展瓶頸的關鍵。以液體成型技術為代表的非熱壓罐制造技術憑借其諸多優(yōu)勢已成為國內外研究的主要方向并被航空航天領域廣泛應用。

復合材料液體成型技術是指將液態(tài)樹脂注入鋪放有纖維增強材料預成型體的閉合模腔中，液態(tài)樹脂流動浸潤模腔中的纖維預成型體，并且排除模腔內的氣體，在預設的溫度程序下完成復合材料產(chǎn)品成型的制備工藝。近年來，以樹脂傳遞模塑成型（RTM）、樹脂膜熔滲（RFI）和真空輔助樹脂灌注（VARI）技術為代表的低成本液體成型技術成為了航空復合材料制造領域研究與發(fā)展的重點。

1 國外飛機復合材料液體成型技術發(fā)展現(xiàn)狀

國外飛機復合材料液體成型技術發(fā)展起步較早，發(fā)展較快，自20世紀70年代起，美國和歐洲實施了AST、ACEE、ACT、CAI、FUBUCOMP、ALCAS 及EDAVCOS 等發(fā)展計劃，目的是從設計理念與方法、制備工藝與手段等多維度創(chuàng)新，提高飛機結構效率和降低制造成本，其中低成本液體成型技術受到了高度關注。自20世紀90年代以來，伴隨在航空領域的深入研究，液體成型技術逐漸體系化。本文從三個維度分析了國外液體成型技術在航空領域的應用現(xiàn)狀。

1.1 液體成型技術在復雜結構件上的應用

相對于熱壓罐成型工藝，液體成型技術在制造局部厚度大、結構復雜的結構件方面優(yōu)勢顯著。例如四代戰(zhàn)機美國的F-22 和F-35 等已大量應用了RTM 技術制造復合材料零件，F(xiàn)-22 共有400 多個復合材制件用RTM 技術制造，包括機身隔框、油箱框架、彈艙門帽形加強件、尾翼梁和肋以及機翼中介梁、后梁等，約占復合材料整體用量的1/4，最典型的構件是長約4.5m 的機翼正弦波形梁。F-35 中也大量應用了RTM 整體成型技術，如復合材料垂尾，大大減少垂尾的零件數(shù)，總成本降低60%以上。

如圖1所示，波音采用RTM 技術整體化制造了AH-64D“長弓阿帕奇”武裝直升機的中機身結構、地板梁、接頭等結構復雜制件。實現(xiàn)減重約28%，制造時?？s短42%，縮減工設計成本約41%［9］。

圖1 RTM成型AH-64D直升機Fig.1 Structure of AH-64D by RTM process

圖2為國外某機型的箱式結構和三耳片結構的主起落架下拉桿、支架、扭接連桿，上述結構均采用RTM 技術制造。相對于金屬制件，起落架下拉桿實現(xiàn)減重20%的同時成本減少了15%、抗沖擊性能提升。支架和扭接連桿的纖維體積分數(shù)分別可達55%、60%，實現(xiàn)減重40%、30%［10］。

圖2 RTM成型飛機主起落架Fig.2 Aircraft main landing gear by RTM process

為改善結構損傷容限、降低制造成本，美國航空航天局（NASA）推行了“先進復合材料技術研究計劃”，目的在于推進新型航空復合材料結構的研發(fā)，探究其設計、制造方案。該計劃以高速運輸機機身和機翼為攻關對象，將先進縫合技術和RFI技術結合的方案成功運用于復雜結構半翼展機翼壁板的研制，該翼盒由蒙皮、梁、肋、長桁等縫合組成，長度為達12.7 m。地面試驗證實其符合設計載荷要求［6］。

1.2 液體成型技術在大尺寸結構件上的應用

目前問世的最大的復合材料制件是2007年歐洲防務公司使用VARI 工藝研制的空客A400M 大型運輸機的上貨艙門（圖3，長7 m，寬4 m），由艙門加筋外壁板、高約203 cm 的側壁板、九個橫向梁和加筋壁板組成。外壁板尺寸最大，其內側帶16根縱向加強筋。內壁板呈窄長形，處于艙門內側的中間位置，起局部提高艙門剛度的作用。VARI 整體成型工藝至少減少了用以長桁與蒙皮間連接的約3 000 個金屬鉚釘，體現(xiàn)出減重效益和經(jīng)濟性［11］。

圖3 A400M復合材料上貨艙門Fig.3 Composite material upper cargo door of A400M

作為目前全球最大的RFI 整體成型制件，空客A380是成功運用液體成型技術制造大尺寸制件的另一典型案例（圖4），其中包含復合材料機身后壓力框、中央翼盒的5 個工字梁、副翼翼梁、襟翼。另外，機身后壓力框穹形制件長約6.9 m、寬6.6 m、高1.5 m，內涵15 個泡沫加筋，整體框架纖維體積分數(shù)達到65%，孔隙率＜0.2%［12］。

圖4 空客A380組件Fig.4 Airbus A380 components

B787飛機尾翼、副翼、襟翼、擾流板、后承壓球面框等構件采用了可控壓力樹脂滲透成型技術制造（圖5），其材料基體為HexFlow RTM6 樹脂，增強織物為Hexforce 機織12K 碳纖維緞紋織物，幾乎達到了預浸料／熱壓罐技術成型復合材料制件的性能。道格拉斯公司利用RTM 技術和縫合增強體技術制造了帶有加筋結構的機翼和機身蒙皮，據(jù)測算，相對于熱壓罐方法，RTM 成型將工藝周期降低了約50%，同時制件獲得了良好的抗沖擊性［13］。

圖5 B787外副翼加筋壁板Fig.5 Outer aileron stiffened wall panel of B787

1.3 液體成型工藝在關鍵承力結構中的應用

2019年10月，吉凱恩宇航公司（GKN Aerospace）展示了采用RTM 技術制造機翼蒙皮、翼梁、翼肋等部件的驗證試驗件。洛克希德.馬丁公司通過與IPT公司（Innovative Pressure Technologies）的合作成功研制出借助VARI 工藝成型的P-3 飛機下翼面整流壁板，該公司還致力于開展VARI技術在C-5、C-130等大型飛機上運用的驗證。

圖6為龐巴迪C 系列飛機外翼盒段的壁板和梁部分，該制件采用了熱壓罐輔助VARI液體成型技術制造，貼近工裝的一側放置有均壓板，在完成樹脂注射工序后利用熱壓罐施加壓力，進一步減少制件孔隙率，提升綜合性能［10］。

圖6 熱壓罐輔助液體成型外翼盒段Fig 6 Outer wing box section by LCM and autoclave process

俄羅斯MS-21 是世界首件采用非熱壓罐成型工藝制造復合材料主承力結構的干線飛機，該機型中采用ADFP 干纖維自動鋪放預成型體技術（Automatic Dry Fiber Placement），獲得了較高的纖維體積分數(shù)，其單通道客機機翼盒（圖7）集成了帶加強筋的蒙皮、復雜彎曲輪廓以及4 個不同形狀的長桁，大尺寸達20 m×4 m，實現(xiàn)減重10%，成本降低30%，能源損耗降低50%，工時減少30%。

圖7 俄羅斯MS 21單通道客機機翼Fig.7 Single-aisle airliner wing of Russian MS 21

復合材料技術難點在過去的半個世紀中得到了較好地攻克，目前可在飛機結構實現(xiàn)大量使用。多年的技術探索和積累為復合材料制件作為飛機主承力結構的運用提供了強大助力?？梢哉J為，世界航空技術發(fā)達國家已經(jīng)具備大量應用復合材料飛機構件的技術基礎和條件。。

2 國內飛機復合材料液體成型技術應用現(xiàn)狀

國內航空復合材料的研究和發(fā)展始于20世紀70年代，自1983年強5飛機使用復合材料以來，國內飛機復合材料應用經(jīng)歷了從天線罩、口蓋等非承力構件到垂尾、方向舵、副翼等次承力構件上的發(fā)展歷程，并在C919 的中央翼盒上開展了主承力結構件的應用嘗試。隨著制造技術的逐漸成熟，制造成本居高不下逐漸成為了復合材料工程化應用進一步擴大的瓶頸，相應的，以液體成型為代表的低成本制造技術的研究及應用隨之逐漸增多。

中航復材采用VARI 技術成功制造了尺寸達5.5 m 的夾芯結構的壁板試驗件，并在傳統(tǒng)VARI 技術的基礎上開創(chuàng)了高纖維體積分數(shù)真空轉移成型技術，利用該技術制造出了纖維體積分數(shù)大于56%的加筋壁板，成功用于飛機艙門下壁板［14］。在此基礎上開發(fā)了VARI 技術專用的BA9911、BA9912 和BA9914 樹脂體系，在多項航空典型結構部件中得到了成功運用，其纖維體積分數(shù)可達58%以上［15］。此外還針對民機襟翼結構開展了干態(tài)纖維增強預成型體滲透行為研究、液體成型專用樹脂體系開發(fā)、樹脂流動控制及成型工藝等研發(fā)工作，成功制造出民機襟翼制件（圖8）［16］。圖8是利用高纖維體積分數(shù)真空轉移成型技術制造的民機襟翼。

圖8 真空轉移成型技術制造的民機襟翼Fig.8 Civil aircraft flaps manufactured by HFVI technology

航空工業(yè)復材中心針對工型加筋壁板、多肋泡沫夾心/縫合整體壁板結構開展了液體成型技術研究與應用探索，開發(fā)出了適用大型整體結構RTM 的高效樹脂流動控制技術、高加筋壁板RFI樹脂流動控制技術，利用該技術研制出高度達到220 mm 的加筋壁板。此外還開發(fā)了幾乎覆蓋全溫域航空復合材料要求的RTM、RFI 和VARI 全系列樹脂體系，涵蓋了環(huán)氧、雙馬、聚酰亞胺等樹脂種類。其中，3228、BA9912中溫液態(tài)成型環(huán)氧樹脂、5284RTM 高溫液態(tài)成型環(huán)氧樹脂、QY8911-ⅣRTM 液態(tài)雙馬樹脂等綜合性能堪與國外先進技術相媲美［17］。

中國商飛針對工型肋、C 型肋、飛機隔框液體成型技術開展了研究，并積極探索液體成型技術在民機領域的應用。目前已成功利用VARI 技術制造了水平尾翼、整流罩、升降舵、方向舵、擾流板等結構［18-19］。為了解決陰模成型T 型加筋壁板加筋區(qū)注膠難度大、工藝穩(wěn)定性差、制件表面質量不理想等問題，中國商飛借助了泡沫加筋芯與纖維鋪覆導向板對加筋區(qū)尺寸進行精確控制，并結合了鋼制均壓板，成功制造出表面質量良好的泡沫填充T 型加筋壁板［20］。

北京航空制造工程研究所相繼開展了纖維預成形體滲透特性、樹脂流動控制、樹脂體系研發(fā)等工作，開發(fā)出VARI 專用樹脂，并成功制造了纖維體積分數(shù)達58%的帽形泡沫夾芯構件，在多個項目上開展了實驗驗證和裝機運用［15，21］。

上海飛機制造有限公司在VARI 成型關鍵技術領域已有所突破，相繼開展了VARI 樹脂體系開發(fā)、增強材料參數(shù)研究、預成型體縫合、VARI 成型升降舵模擬及樣件研制和無損檢測工作［19］。此外，該單位還開展了截面工型肋結構零件RTM 工藝注射方案研究，并成功制造了表面質量良好的試驗件［22］。

國內某大型民機制造商在借助液體成型技術制造工型肋、升降舵壁板、機翼口蓋構件方面取得了顯著進展。該單位還成功制造了國內首個液體成型3 m機身壁板，利用熱隔膜工藝在激光加熱自動鋪絲機的輔助下制造出帽型長桁預成型體，再借助VARI工藝實現(xiàn)預成型體與干纖維蒙皮組合件的整體注膠與固化［23］。

航空工業(yè)沈飛利用RTM 技術制造了全尺寸復合材料異型正弦波形梁，并研究了工裝結構、樹脂注射壓力等因素對制件質量的影響規(guī)律［24］。航空工業(yè)惠陽螺旋槳廠采用編織-RTM 技術成功制造發(fā)動機螺旋槳葉片。航空工業(yè)成飛利用RTM 一次成型技術研制出了多腔隔板框梁結構，產(chǎn)品表面精度達到了±0.25 mm，隔板位置精度高于±0.5 m。此外，該單位還承擔了RTM 工藝A350 擾流板工作包的研制［5］。北京民用飛機技術研究中心開展了復合材料加筋壁板結構液體成型技術研究。航空工業(yè)西飛針對MA700 擾流板液體成型工藝開展了研究，系統(tǒng)性的研究了不同結構的樹脂滲透率、泡沫結構對滲透行為的影響規(guī)律等，研制出了MA700典型結構擾流板，但最終因適航難度大、周期長等問題，最終依然采用了熱壓罐成型工藝方案。

雖然液體成型技術早國內航空復合材料制造領域相關研究持續(xù)進行，但液體成型技術的應用還沒有真正得到大范圍工業(yè)化推廣的程度，且相對于預浸料熱壓罐成型技術的發(fā)展水平差距依然較大。具體來說，目前還局限于次承力結構的探索階段，主承力結構制造技術與國外先進制造技術差距較大，在干態(tài)纖維自動鋪放等自動化制造方面研究較少，預成形體設計和成型技術水平欠缺，且缺少相關的材料技術體系。目前依然為多品種小批量生產(chǎn)模式，不具備穩(wěn)定批產(chǎn)的條件，無法發(fā)揮液體成型低成本的優(yōu)勢。

3 航空復合材料制造技術發(fā)展趨勢

3.1 復合材料零件趨于大型化、整體化

大量的裝配零件和設備、人工成本占據(jù)航空復合材料零件總體制造成本的近45%，且金屬緊固件的使用不利于飛機結構的輕量化。目前廣泛采用的預浸料/熱壓罐工藝需要大量的復雜工藝步驟才能實現(xiàn)復合材料零件整體的成型，技術難度較大。這也是復合材料構件成本居高不下的重要原因之一。因此，利用非熱壓罐技術實現(xiàn)整體化成型是降低復合材料制件制造成本、提高制造效率行之有效的方式?？梢灶A見，未來飛機結構中將大規(guī)模使用液體成型技術制造的復合材料零部件。

3.2 復合材料零件制造趨于自動化

自動化制造技術仍是復合材料領域未來的重要開拓方向，自動鋪放技術為復合材料零件機械化、自動化生產(chǎn)助力良多，其制件成型精度、質量和合格率均比較理想，生產(chǎn)效率較手工鋪放提高數(shù)十倍。為進一步提升復合材料制造的自動化水平，各大主機廠及科研院所陸續(xù)采購了自動鋪帶機、熱隔膜成型機等自動化設備，并積極開展相關工藝技術研究，例如，西安飛機工業(yè)股份有限公司針對陽模成型冒形長桁的自動鋪絲工藝開展了研究，提升生產(chǎn)效率的同時提高了結構可靠性。

3.3 復合材料制造低成本化

復合材料的高制造成本目前是限制其進一步應用與發(fā)展的主要因素之一，許多國家陸續(xù)制定和實施低成本復合材料計劃，推動復合材料低成本化成為核心研究問題。原材料、設計制造、使用維護構成了航空復合材料成本，以液體成型為代表的復合材料低成本技術可從降低制造成本角度助力于航空復合材料整體成本的下降。

4 液體成型技術的發(fā)展趨勢

4.1 結構應用從次承力到主承力

受限于技術和設備先進性，國內的復合材料液體成型技術在航空領域的應用尚處于初步階段，產(chǎn)品也多集中在次承力結構中。隨著液體成型技術纖維體積分數(shù)提升等關鍵性技術的逐漸突破，液體成型技術在主承力航空復合材料部件中的應用也將成為必然趨勢。

4.2 從手工鋪貼到干態(tài)纖維自動鋪帶

在液體成型技術中，以干纖維自動鋪放，干纖維自動鋪縫為代表的自動化預成型、注膠模擬仿真分析等先進自動化輔助技術的運用也成為一個明顯趨勢，這一趨勢將顯著提升復合材料成型的設計性、可控性和制品質量［25］。

4.3 原材料的專用化

為了更好的滿足液體成型技術樹脂原料所需的“一長”、“一快”、“兩高”、“四低”的要求［26］。開發(fā)區(qū)別于熱壓罐成型工藝的專用樹脂體系是適應和推動液體成型技術在航空領域運用的必然趨勢。例如波音公司開發(fā)的SI-ZG-5A 樹脂、SP 公司開發(fā)的VARTM 專用系列環(huán)氧樹脂PRIME 20、航天特種材料及工藝技術研究所研發(fā)的6818環(huán)氧樹脂等均在液體成型航空復合材料制件中有了成功的實踐［27］。

4.4 液體成型派生新技術

為了進一步降低成本，擴大適用范圍，新型的液體成型技術也不斷涌現(xiàn)［28］，例如N.Bernet 等人利用柔性模膨脹的柔性輔助RTM 技術成功制造了空心結構［29］。美國陸軍研究實驗室與高校合作開發(fā)了共注射樹脂傳遞模塑（CIRTM）技術，在提升產(chǎn)品結構完整性和性能的同時可實現(xiàn)多層結構的一次性成型，大大提升了生產(chǎn)效率［30］。AMIRKHOSRAVI 等［31］開發(fā)了磁力強化的VA-RTM 技術（真空輔助樹脂傳遞模塑），通過設置在在真空袋上下兩側的磁體和磁性下膜的磁力壓縮作用使得制件中的孔隙率由傳統(tǒng)VA-RTM的6%降至1%左右，提升了制件力學性能。

5 結語

隨著復合材料制造技術突破，航空復合材料的發(fā)展?jié)摿κ袌銮熬氨怀掷m(xù)看好，但高額的制造成本成為其發(fā)展的一大制約因素。隨著纖維體積分數(shù)等關鍵技術的不斷突破以及設計制造一體化水平的提升，液體成型技術低成本的優(yōu)勢將逐步凸顯，在復雜結構、大型構件、主承力結構中的應用將逐步推廣，未來，航空復合材料制造領域的液體成型技術發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢。首先，自動化技術的進步將逐步滲透至液體成型技術的各個環(huán)節(jié)中，典型的應用案例包括翻轉、組合、脫模、轉送等自動化生產(chǎn)線，以及機械臂式自動鋪絲、鋪帶技術在干纖維預制體制備過程中的應用。其次，模擬仿真技術有望成為突破液體成型技術瓶頸的有效助力，缺陷形成機理模擬及控制、固化過程仿真、變形仿真及控制、壓力傳遞仿真分析等技術未來將廣泛應用在液體成型技術精確控制中，用以解決復合材料固化過程熱、力、化學、物理多場耦合的復雜性問題。再者，液體成型的低成本優(yōu)勢將伴隨著智能化生產(chǎn)線建設更加突出，智能化技術可實現(xiàn)對物理化學參數(shù)、功能指標的在線捕獲和跟蹤監(jiān)控。對指標偏差進行集成分析并實時在線反饋。在此基礎上，系統(tǒng)根據(jù)后臺反饋的指標進行實時精準執(zhí)行。典型的運用案例包括，在干纖維自動鋪絲/鋪帶設備運行的同時，智能生產(chǎn)系統(tǒng)對鋪絲搭接量和間隙進行激光自動測量，并對鋪貼缺陷進行自動修復等。總而言之，隨著液體成型技術本身的不斷成熟以及相關設備、技術的突破和進步，液體成型技術低成本、結構優(yōu)越性等優(yōu)勢將逐步突顯，其在航空復合材料制造領域的應用范圍不斷拓展，必將帶動新一輪的復合材料產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展。