高性能纤维及复合材料

高性能纤维及复合材料

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（新材料全球交易网提供）高性能纤维及复合材料属于高分子复合材料，它是由各种高性能纤维作为增强体置于基体材料复合而成。其中高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m3) 等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。

高分子复合材料与传统材料相比，具有更高的比强度、耐化学品和耐热冲击性，以及更大的设计灵活性。按照合成的原料不同，高性能纤维主要分为碳纤维、芳纶纤维、特殊玻璃纤维、超高分子聚乙烯纤维等，其中碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维是当今世界三大高性能纤维。

高性能纤维的发展是一个国家综合实力的体现，是建设现代化强国的重要物资基础。高性能纤维及复合材料是发展国防军工、航空航天、新能源及高科技产业的重要基础原材料，同时在建筑、通信、机械、环保、海洋开发、体育休闲等国民经济领域具有广泛的用途。

中国高性能纤维及复合材料自动铺带机工程化研制取得进展

人工、半自动人工铺放与自动铺放对比（资料图）

先进复合材料因比模量、比强度高，抗疲劳、耐腐蚀、可设计和工艺性好，成为飞机结构重要发展方向之一。轻质、高强、性能优异的高性能纤维及复合材料成为理想的结构用材，并逐渐从小型、简单、次承力结构向大型、复杂、主承力结构过渡。国外军机上复合材料用量普遍占结构重量的25%～50%；在民用领域，波音公司787飞机的复合材料用量达到50%，而A350XWB复合材料用量达到了创纪录的52%。

用于高性能纤维及复合材料结构制造的先进专用工艺装备在国外迅速发展，特别是基于预浸料的复合材料自动铺放设备，包括自动铺带机和铺丝机，已在国外最先进的战机和民机制造中得到广泛应用。这些先进铺放装备具有人工/半自动人

工铺放所不可比拟的优点（对比如表1所示）。

复合材料铺放制造技术包括铺放装备技术、铺放CAD/CAM技术、铺放工艺技术、预浸料制备技术、铺放质量控制、一体化协同数字化设计等一系列技术，主要是自动铺放装备技术、应用软件技术以及材料工艺技术的融合集成。其中自动铺放装备技术是整个技术的基础和核心，而铺放装备技术中最关键的是铺放头多功能集成技术和多坐标、多系统运动协同控制技术。

复合材料铺放制造过程为铺放头在多坐标联动控制下，快速准确地运动到复合材料将要铺放的模具表面，并按照铺放程序的指令准确、无误、高效、自动地完成装在专用卷轴上的预浸料（带或丝束）的铺放，包括完成送料、定位、切割、加热、压紧、回收等动作，保证铺放质量满足工艺要求。

欧美少数几个国家已具有较为成熟的复合材料自动铺放设备设计制造能力，研制了立式、卧式、龙门式、集成工业机器人等各种结构形式的复合材料自动铺带机和铺丝机，在机身、机翼、进气道等飞机大型复杂复材结构制造中得到应用，为提升高性能纤维及复合材料在军机和民机中的用量做出了重要贡献。

国内在该设备研制方面尚处于原理性研究和工程样机研制阶段。国内航空企业陆续进口了几台复合材料自动铺带机，但适合复杂复合材料结构制造的铺丝机尚未实现零的突破。中航工业制造所通过国际合作、集成创新，先后开展了高性能纤维及复合材料自动铺带机和自动铺丝机工程化研制，已取得阶段性成果和进展。

自动铺带机是小曲率、翼面结构的典型制造装备。中航工业制造所研制成功的大型复合材料自动铺带机（如图1所示）由多坐标铺带头、高速移动横梁、高架桥式支撑平台等组成，配备X、Y、Z、A、C坐标轴，具有五轴联动功能，以满足自动铺带的基本运动要求。

图1 大型复合材料自动铺带机

设备关键精度指标达到国际先进水平，可适用于宽度75mm/150mm/300mm三种规格复合材料预浸带的两步法自动铺叠，加工范围可达到20000mm×6500mm×1200mm，最大直线坐标运动速度为40000mm/min。该设备为国

内首台工程化应用级别的适合于飞机翼面类高性能纤维及复合材料结构制造的自动铺带机，已在部分新机复材机构研制中得到应用。

与人工铺叠相比，自动铺带机可提高效率、降低成本，通过对成形参数和技术指标的精确控制，保障构件质量的可靠性和稳定性。但其存在不能实现大曲率结构铺叠、复杂曲面结构铺叠等局限。针对该局限，中航工业制造所采取国际合作和自主创新两步走的技术路径，启动了复合材料丝束自动铺放机（铺丝机）研制进程。通过进行国际合作开展集成创新，研制了国内第一台适合飞机大曲率复杂复合材料结构制造的自动铺丝机，现已在用户现场基本完成主体装配和调整。后续将重点解决丝束铺放头、预浸丝束、铺放工艺等关键技术，突破设备、材料以及工艺技术，全面解决高性能纤维及复合材料铺放制造问题。

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