大型飞机结构复合材料相关技术基础

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1、大型飞机结构复合材料相关技术基础newmaker国内飞机环氧树脂基复合材料在30多年的发展历程中，在材料、设计、制造、检测等工程链方面积累的工程应用经验和所形成的标准规范，可为大型飞机复合材料结构应用的扩大提供有益的借鉴。1975年，复合材料（这里指碳纤维增强环氧树脂基复合材料）首次在国内某型飞机上应用，拉开了复合材料作为飞机结构用材的序幕。之后，以环氧树脂体系为基体的碳纤维复合材料技术得到了系统的研发和批量的应用。在此过程中，结合热压罐法共固化、共胶接、二次胶接成型工艺的特点，开展了树脂体系的增韧和工艺优化、变形控制技术、工艺过程数值

2、模拟、结构连接技术、在线监控技术、成型模具设计制造、损伤修复、结构件自动化无损检测技术等方面的研究；世界领先的复合材料专用设计/制造软件Fibersim在工程应用中取得了一定的效果，复合材料结构设计/制造数字化生产线正在打通，设计制造能力不断增强，可以说，以环氧树脂体系为基体的复合材料结构在大型飞机上扩大应用的时期已经到来。本文着重介绍环氧树脂基复合材料方面的技术基础情况，意对国内大型飞机复合材料结构设计中涉及的国内复合材料某些工程问题提供探讨的基础。批量的环氧树脂基复合材料结构件经过了多年的使用考核，环氧树脂基体以其综合性能优异、工艺

3、性好、价格低等诸多优点，在马赫数1.5以下飞机上的用量远远大于双马来酰胺树脂基体，以A400M、波音787飞机为例，复合材料分别占飞机结构重量的36%和50%，其中，复合材料结构基本为环氧树脂基类。近年来，针对环氧树脂基体韧性不足、耐湿热性较差的问题，国内相关单位开展了多方面的改性研究，使其复合材料冲击后的压缩强度达到了250MPa以上，复合材料饱和吸湿后120℃下的综合性能的保持率均与国外同类树脂体系相当。其多墙式复合材料层压板共固化、共胶接结构，全高度蜂窝夹层结构已在马赫数1.5以下的飞机上得到了工程化应用，并且有的复合材料结构经过

4、了近20年的使用考核，质量情况保持良好。疲劳试验的结果表明，在给定的设计载荷下，复合材料结构件30年的飞行寿命是可靠的。使用经验表明，这类复合材料是一种性能优异的材料，它已经逐渐开始走向成熟。碳纤维织物增强的5224环氧树脂基复合材料结构已经在直升机上得到了大量的使用，单向碳纤维增强的NY9200环氧树脂基复合材料结构在近400架飞机上应用，另外，在飞机结构上开始采用的BA9916和5228环氧树脂基体系，这些应用所沉淀的工程经验均可以为国内大型飞机复合材料结构选材提供有益的参考和借鉴。图1T300纤维增强复合材料断口形貌图2CCF30

5、0纤维增强复合材料断口形貌环氧树脂体系对碳纤维品种适应性研究在国内也取得了成果，特别是国产碳纤维增强的环氧树脂基复合材料已通过了一系列性能考核。以NY9200环氧树脂体系为例，与纤维界面有关的复合材料0°压缩和面内剪切性能与国外同类纤维增强的环氧树脂基复合材料相当（见表1），界面破坏形貌基本相似（如图1和图2所示），并开始进入飞机结构上的应用。热压罐成型方法形成了完整的生产线为了满足飞机树脂基复合材料的发展，据不完全统计，国内航空主机制造企业已有热压罐30余台，其中1/3是从国外进口的，生产面积达20万m2，大多数设备的技术参数和厂房条

6、件可满足民机复合材料结构件生产的要求。以此成型方法为基础，在材料改性、工艺参数优化、厚度尺寸和变形控制、模具设计及制造，无损检测、损伤修复等方面进行了大量的实验研究，其成果在工程化中得到验证，并且形成了相关标准规范。特别是进入21世纪后，为了提高复合材料结构件的生产效率和保证复合材料结构件质量的一致性，各主机制造企业先后购置复合材料专用设计/制造软件（如Fibersim软件）和与之相配套的预浸料自动下料机、激光投影仪、自动C扫描无损检测设备以及五坐标数控钻铣设备。有的航空企业还购置了或正在购置自动铺带机、超声波蜂窝铣床以及带柔性夹具的数

7、控加工设备。复合材料结构设计/制造完整的数字化生产线正在被打通，年产85t以上复合材料结构件的生产能力已经形成。因此这其中至少有1/2的剩余生产力可以用于大型飞机复合材料结构件的生产。近年来，热压罐成型方法被视为“高成本”的复合材料结构制造方法，而被排除于“低成本方法”概念体系之外，将树脂转移方法与之形成新旧对势，似乎热压罐成型方法应走向淘汰之路。其实，热压罐成型方法在工程应用上无论在成熟度还是在规模化方面仍是当今复合材料结构件的主要成型方法，这是由它的特点决定的：（1）罐内压力和温度均匀。在它们共同作用下，可满足复合材料高纤维含量的要

8、求，其复合材料具有较高的力学性能和较稳定的物理性能，例如复合材料结构件的孔隙率低，树脂含量均匀。（2）热压罐成型方法适用范围广。例如层压结构、夹芯结构、胶接结构和缝纫结构。模具相对比较简单，效率高，尤其适用