航天材料与工艺可靠性技术

2016年春季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目:航天材料与工艺可靠性技术

:机电学院

学生所在院

（系）

学生所在学科:机械电子工程

学生姓名:陈婷

学号:15S D08382

学生类别:代培（学术）

考核结果阅卷人

航天材料与工艺可靠性技术

——航天复合材料制造技术与工艺进展

摘要

复合材料结构制造工艺是复合材料应用的关键，也是结构设计得以实现的关键。复合材料制造工艺的特殊性和复杂性，使其成为了结构可靠性、制件质量和成本控制的核心技术。

近些年来，随着先进复合材料在航空航天领域的广泛应用，复合材料制造技术与工艺理论得到了很大发展。本文即围绕飞行器结构用复合材料，归纳作者掌握的资料，结合作者近期研究成果，介绍先进复合材料制造技术与工艺理论的国内外研究进展，阐述复合材料工艺质量控制的主要方法，展望复合材料制造新技术的未来发展方向，以期促进我国航空航天领域复合材料用量与应用水平快速提高。

关键词

飞行器结构；复合材料；制造技术；工艺质量

0 引言

航天产品轻质化、小型化、功能化、高可靠性要求的发展趋势，对复合材料产品研制过程中的新技术、新工艺进行研究显得非常重要。近年来，随着计算机和精益管理技术的飞速发展，越来越多的企业将数字化设计与集成产品开发模式运用到复合材料的设计中，如波音公司在787 项目中将复合材料设计工艺数字化集成技术应用到设计、制造整个过程，效果非常显著；空客集团的A350、庞巴迪公司C系列飞机均大量应用复合材料数字化产品设计工艺集成研制技术，大幅度提高了研制效率。这些案例表明，借鉴国外已有先进经验，研究航天复合材料产品数字化集成技术并进行探索应用，对构建复合材料全数字化生产线、实现航天器复合材料结构高效高质研制具有重要意义。

众所周知，对于飞行器复合材料结构，制造技术非常关键，不仅决定产品质量而且左右制造成本。与金属材料截然不同，复合材料的材料成型与结构成型是同时完成的，因此复合材料的结构性能对制造工艺敏感，材料的最终性能也是通过制造过程被赋予到结构，制造过程的控制影响着复合材料结构的质量，复合材料制造工艺自身的复杂性和对外界环境的敏感性，使得一旦工艺某环节不合理，复合材料制件将产生缺陷和尺寸偏差，严重影响其性能、使用寿命和装配性，甚至导致制件报废。另一方面，飞行器复合材料结构的制造成本一般要占到总成本的７０％以上，可见制造技术在很大程度上决定着复合材料的成本。可以说，制造工艺是复合材料应用的关键，也是结构设计得以实现的关键。为此，世界各国对航空航天领域用复合材料结构制造技术都极其重视，给予了很多大型项目计划支持，使复合材料结构制造技术与工艺理论取得突破性进展。本文即根据作者掌握的资料，结合作者团队相关研究

成果，对飞行器结构用先进树脂基复合材料制造技术与工艺理论研究进展情况分５

个方面阐述：①数字化与自动化制造技术；②新型低成本制造技术；③复合工艺理论与制造模拟；④成型工艺质量控制方法；⑤复合材料制造新技术展望。

1 数字化与自动化制造技术

除固体火箭发动机壳体、压力容器等回转体结构以缠绕工艺制造为主外，对于飞行器重要复合材料结构主要还是以热压罐工艺生产，并围绕该工艺出现了各种整体化成型技术和自动化制造技术。[1]

1.1 数字化制造技术

数字化制造是当今世界制造业发展的趋势，近年来，数字化以其柔性好、响应快、质量高、成本低，正逐渐成为先进制造技术的核心[2]。在传统的复合材料研制模式中，设计、分析及制造之间的数据是通过模拟量传递，构件质量在很大程度上依赖于工人的经验和熟练程度。而通过在复合材料构件研制过程中引入数字化技术，可以保证设计、分析、制造数据源的唯一，做到复合材料ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化，便于数字量传递，减少研制时间，加快研制进度。复合材料构件数字化制造过程涉及到的技术主要包括：可制造性分析、复合材料构件铺层展开、模具和夹具的快速设计、模架的选型及快速设计、工装零组件的快速装配技术、铺层排样技术、数控下料技术、激光定位技术、成型工艺的仿真及优化技术、工程数据管理系统、数据传递接口技术等[3]。

中国中航工业集团针对某机型复合材料制件的生产，建立了中国首个航空复合材料制件的数字化技术生产系统，依托数字化技术和数据库系统的支撑，通过数据库与生产线的数据交换接口系统，实现数据库与数字化生产线对接，将产品结构设计、车间MES系统、工装设计生产、固化成型、无损检测、装配等实现数字化，并将各环节的软件接口进行对接，打通了复合材料制件数字化制造过程，起到提高产品质量、缩短研制周期，进一步减轻结构质量的目的。在中国民用飞机研制中也将复合材料构件设计制造技术与数字化技术相结合，以实现复合材料构件设计与制造各环节数字化、数据流畅通和复合材料构件在并行工作模式下的设计、工艺、制造、检测全过程的集成，促进飞机复合材料构件的大面积使用和降低制造成本。

1.2 自动化制造技术

采用预浸料／热压罐工艺制备复合材料结构，首先需要按设计要求将一定尺寸、形状、数量的预浸料在模具上铺叠成层合结构的坯料，然后再将其放入热压罐中固化。预浸料坯料，即预浸料预成型体的制备是整个制造过程中周期最长、劳动强度最大的工艺环节，也是决定复合材料制造质量的关键。传统的预浸料／热压罐工艺采用下料、人工铺贴、预压实的方式进行预浸料预成型体的制备，存在时间长、成本高、工艺质量不易控制、大型制件难以制造等问题。因此如何实现预浸料预成型体的机械化、自动化制造成为了复合材料结构低成本高

品质制造技术的核心，近些年涌现出自动铺放技术、热隔膜技术、机械变形成型技术等，在极大提高生产效率的同时，保证了成型质量的稳定性。

易于实现大面积整体成型是复合材料制造的显著特点之一，对于飞行器结构而言，大面积整体成型复合材料在满足结构总体性能要求的前提下，可以大幅减少零件与紧固件数目，从而减轻结构质量、降低成本,特别是装配成本，这是美国CAI计划解决的主要关键技术之一。

2 成型工艺质量控制方法

先进复合材料的成型固化是在一定压力和加热条件下完成的，该过程是非常复杂且难以直接观察，涉及到了热量传递、固化反应、树脂流动、纤维密实、气泡的形成、生长及迁移等多种物理、化学及其耦合变化。不同的树脂体系和纤维增强体的物理和化学特性不同，造成成型固化过程有明显差异，这些因素与工艺参数、模具方案、产品结构等交织在一起。同时航空航天结构高昂的制造成本，要求保证高的成品率，这使得工艺质量的控制成为了复杂而又核心的技术。复合材料工艺质量控制技术包含工程技术和科学研究两个方面，前者往往在产品生产中起决定作用，而后者往往在产品研制中有重要地位。

2.1 工程技术规范与数据库

航空航天工业已充分认识到复合材料结构这一特点，并在积木式设计验证程序中对材料与工艺控制进行鉴定，建立材料规范和工艺规范，保证能生产出可重现且可靠的结构。例如FAA制定出版了预浸料和复合材料规范及工艺规范编制指南，加快了复合材料结构研制与适航审定进度，降低了成本，保证了工艺质量。

复合材料工艺规范中，对相应产品所涉及的所有制造因素都进行了明确规定，如适用范围、引用文件、材料要求、设备和设施要求、人员要求、工装要求、制造要求（铺层、预压实、真空袋封装、温度监测、固化、胶接、脱模、工装）、验收标准等。

材料规范和工艺规范制定过程中，数据库是其必不可少的依据，数据库应包含原材料、中间材料、芯材、复合材料等物理、化学、工艺、力学等性能，这些数据的准确性、可靠性需要有足够的实验批次、合理的实验矩阵、先进的测试标准规范、严格的检测工作质量管理体系作为保障。

中航工业集团公司针对中国航空用材料体系，建立了复合材料工程数据库，覆盖了目前中国航空工业的主要材料牌号，并研究了数据库的管理和应用技术。高航等归纳总结了复合材料典型构件加工特征，在此基础上构建了复合材料典型特征加工工艺数据库，利用该数据库可以将复合材料的相关加工工艺信息进行合理分类存储，便于用户进行检索。

从目前工艺规范和数据库的应用看，建立统一的技术规范标准，构建复合材料结构设计/制造/评价共享数据库是促进复合材料工业快速发展的重要措施。

2.2 复合材料制造装备

制造装备无疑是复合材料制造的基础，也是显示制造技术水平的重要标志。实现自动化