高端復(fù)合材料制造裝備應(yīng)用及發(fā)展

王靜 蔡清華 馮雅麗

摘 要：近年來，隨著復(fù)合材料在航空在航空、航天、造船、汽車和風(fēng)電等工業(yè)領(lǐng)域的高度重視，先進(jìn)復(fù)合材料制造裝備顯的尤為重要，其水平從一個(gè)方面反映了國家制造裝備的整體水平。本文介紹了當(dāng)前復(fù)合材料制造工藝、主要設(shè)備及其應(yīng)用情況，并對(duì)國內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀及前景進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；制造裝備；應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。先進(jìn)復(fù)合材料自問世以來，由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐疲勞、耐

腐蝕等諸多優(yōu)勢(shì)，在航空、航天、造船、汽車和風(fēng)電等工業(yè)領(lǐng)域得到高度重視，而且這種趨勢(shì)仍在繼續(xù)。如圖1所示。先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中可減重20%～30%，因此復(fù)合材料在軍民用飛機(jī)上的用量逐年增加，大型飛機(jī)尤為突出（A380用

60.5噸、占25%，787用25噸、占50%）。且其裝機(jī)應(yīng)用水平已成為現(xiàn)代航空裝備先進(jìn)性的標(biāo)志。

圖1 國外飛機(jī)的復(fù)合材料用量年譜

先進(jìn)復(fù)合材料最近10年在航空航天、汽車、船舶、風(fēng)電上井噴式的應(yīng)用，已經(jīng)證明了先進(jìn)復(fù)合材料在未來航空航天、汽車、船舶、風(fēng)電等領(lǐng)域的重要地位。先進(jìn)復(fù)合材料制造裝備顯的尤為重要，自動(dòng)化制造、檢測(cè)裝備可增加復(fù)合材料用量、提高制造技術(shù)水平、保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本的關(guān)鍵，是武器裝備用復(fù)合材料構(gòu)件快速研制與大批量穩(wěn)定生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)敏捷制造的必由之路。

一、復(fù)合材料制造工藝及主要設(shè)備

先進(jìn)復(fù)合材料裝備是重要的基礎(chǔ)制造裝備之一，其水平從一個(gè)方面反映了國家制造裝備的整體水平。目前，復(fù)合材料裝備制造技術(shù)已發(fā)展成為集材料、冶金、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電子等多學(xué)科為一體的先進(jìn)技術(shù)。

復(fù)合材料制造裝備工藝及檢測(cè)方法主要有：手動(dòng)鋪層、預(yù)浸料和預(yù)制體成型、纖維纏繞成型、自動(dòng)鋪帶（ATL）、自動(dòng)絲束鋪放、熱壓罐固化成型、三維縫合成型、復(fù)合材料液體成型、隔膜成型、復(fù)合材料制件加工及裝配、復(fù)合材料自動(dòng)化無損檢測(cè)等。

與復(fù)合材料制造裝備工藝及檢測(cè)方法相對(duì)應(yīng)的制造裝備主要有：預(yù)浸料制造裝備、預(yù)浸料自動(dòng)裁剪設(shè)備、預(yù)制體成型裝備（如圖2所示）、纖維纏繞成型設(shè)備、自動(dòng)鋪帶、自動(dòng)鋪絲機(jī)（如圖3所示）、熱壓罐成型裝備、三維縫合成型裝備（如圖4所示）、復(fù)合材料液體成型裝備、隔膜成型裝備、機(jī)器人制孔系統(tǒng)、自動(dòng)鉆鉚設(shè)備、超高壓水切割設(shè)備、超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)等。

圖2 國外預(yù)制體成型裝備

圖3 Viper6000大型ATP機(jī)，代表了當(dāng)今自動(dòng)絲束鋪放最高水平

圖4 美國研制三維縫合成型裝備

二、復(fù)合材料制造檢測(cè)裝備的應(yīng)用

復(fù)合材料制造檢測(cè)裝備在航空航天、汽車、船舶及風(fēng)電等領(lǐng)域的應(yīng)用之處如下：

（一）預(yù)浸料制造裝備、預(yù)浸料自動(dòng)裁剪設(shè)備、纖維纏繞成型設(shè)備、自動(dòng)鋪帶機(jī)、自動(dòng)鋪絲機(jī)。適用于各種復(fù)雜零部件的成型制造，例如航空航天器中采用復(fù)合材料的垂尾、腹鰭、空中受油飛機(jī)的S型受油管；直升機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件（尤其是大開口構(gòu)件）、縱列式重型直升機(jī)協(xié)調(diào)軸；輕型飛機(jī)機(jī)身；S型進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣；大開口衛(wèi)星承力筒、構(gòu)架式衛(wèi)星構(gòu)架節(jié)點(diǎn)接頭、大型運(yùn)載火箭殼體、帶裙固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及民用氧氣瓶、壓力容器等復(fù)雜型面零件。汽車結(jié)構(gòu)件、功能件、覆蓋件的成型制造。船用螺旋槳、船體部件的成型制造。風(fēng)電領(lǐng)域大葉片的成型制造。

（二）熱壓罐成型裝備。熱壓罐可用于金屬/非金屬膠接構(gòu)件和樹脂基高強(qiáng)度玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維等復(fù)合材料制品。如飛機(jī)艙門、整流罩、機(jī)載雷達(dá)罩，支架、機(jī)翼、尾翼等，汽車結(jié)構(gòu)件、功能件、覆蓋件；船用螺旋槳、風(fēng)電領(lǐng)域大葉片等。

（三）三維縫合成型裝備。適用于各種復(fù)雜零部件的預(yù)成型制造，例如航空航天器中采用復(fù)合材料的垂尾、腹鰭、空中受油飛機(jī)的S型受油管；直升機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件（尤其是大開口構(gòu)件）、縱列式重型直升機(jī)協(xié)調(diào)軸；輕型飛機(jī)機(jī)身；S型進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣；大開口衛(wèi)星承力筒、構(gòu)架式衛(wèi)星構(gòu)架節(jié)點(diǎn)接頭、大型運(yùn)載火箭殼體、帶裙固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及民用氧氣瓶、壓力容器等復(fù)雜型面零件。汽車結(jié)構(gòu)件、功能件、覆蓋件的預(yù)成型制造。船用螺旋槳、船體部件的預(yù)成型制造。風(fēng)電領(lǐng)域大葉片的預(yù)成型制造。

（四）機(jī)器人制孔系統(tǒng)、自動(dòng)鉆鉚設(shè)備。可用于飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、艙口、尾翼及機(jī)身的加工及連接。

（五）超高壓水切割設(shè)備?？捎糜陲w機(jī)制造中的復(fù)合材料壁板切割的切割。

（六）超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)。航空航天、汽車、船舶和風(fēng)電領(lǐng)域中采用復(fù)合材料制作的構(gòu)件（尤其是大型復(fù)雜曲面）進(jìn)行檢測(cè)。

三、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在國外，復(fù)合材料制造、檢測(cè)裝備已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段，如美國辛辛那提機(jī)床公司Viper6000大型ATP機(jī)，代表了當(dāng)今自動(dòng)絲束鋪放最高水平。德國凱爾曼特種機(jī)械制造有限公司是世界上唯一生產(chǎn)復(fù)材縫合設(shè)備的制造公司，擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，也是目前世界航空航天工業(yè)領(lǐng)域復(fù)材縫合加工設(shè)備市場(chǎng)占有率高達(dá)95%以上的企業(yè)。世界各大航空企業(yè)都是凱爾曼的客戶，從歐洲的空中客車公司，歐洲直升機(jī)公司，美國的波音飛機(jī)公司到中國的哈爾濱飛機(jī)制造集團(tuán)，北京的航空制造工程研究所都是他們的客戶，都應(yīng)用凱爾曼的設(shè)備生產(chǎn)最先進(jìn)的復(fù)材輕型節(jié)能飛機(jī)。意大利特魯茲公司的熱壓罐已經(jīng)被用于歐洲阿麗亞娜火箭和空客A380，A320，A316和A400M軍用運(yùn)輸機(jī)的復(fù)合材料部件制造，迄今特魯茲已為用戶提供600多套熱壓罐，并已進(jìn)軍中國。

目前，國內(nèi)復(fù)合材料低成本產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)水平較低，特別是高端的航空航天產(chǎn)品的低成本制造，目前僅停留在實(shí)驗(yàn)階段，這也從一個(gè)側(cè)面反映出我國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的總體現(xiàn)狀和水平。雖然復(fù)合材料加工的中小型民營企業(yè)數(shù)量巨大，但都普遍存在諸如生產(chǎn)工藝落后，產(chǎn)品多為來樣加工，缺乏自主設(shè)計(jì)能力，無嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)體系，生產(chǎn)過程對(duì)空氣污染嚴(yán)重，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工人缺乏必要的防護(hù)服等著一系列的問題。國內(nèi)主機(jī)場(chǎng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠商使用復(fù)合材料制造、檢測(cè)裝備全部靠國外進(jìn)口，成本相當(dāng)昂貴。

四、前景分析

在航空航天和國防工業(yè)領(lǐng)域中，航空材料專家曹春曉院士指出：50%復(fù)合材料是新型飛機(jī)復(fù)合材料用量的起點(diǎn)，飛機(jī)用材料正由鋁合金時(shí)代進(jìn)入復(fù)合材料時(shí)代。中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司專家咨詢組2008年9月10日的咨詢報(bào)告指出：“復(fù)合材料應(yīng)用是當(dāng)代大型民機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，大量使用復(fù)合材料是減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率，提高民用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、舒適性，體現(xiàn)先進(jìn)性的重要舉措?！蔽覈笮涂蜋C(jī)C919基本型的復(fù)合材料設(shè)計(jì)用量2014年為15%、2016年達(dá)到23%，接近A380復(fù)合材料用量25%的水平。

在汽車領(lǐng)域中，隨著汽車復(fù)合材料應(yīng)用水平的不斷提高，復(fù)合材料單車用量將逐漸增加。2010年我國汽車工業(yè)所需塑料、復(fù)合材料總量約為72.2萬噸，2015年將達(dá)到150-180萬噸。隨著成形技術(shù)與裝備的不斷發(fā)展，復(fù)合材料汽車零部件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將日益擴(kuò)大。

在船舶領(lǐng)域中，到目前為止，大中型船艇的船體和上層建筑等多采用玻璃鋼制造，而高性能船舶，如軍艦等也開始逐漸采用先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)行生產(chǎn)和制造。船舶上使用復(fù)合材料的比例逐漸升高，制造的復(fù)合材料船舶也越來越大，并且力學(xué)性能要求比較高的螺旋槳也開始采用復(fù)合材料制造，復(fù)合材料在船舶與海洋行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)正在不斷的加速。

在風(fēng)電領(lǐng)域中，隨著風(fēng)機(jī)容量增加，葉片長度不斷增大，同時(shí)對(duì)葉片的制造技術(shù)及葉片的材料會(huì)提出新的更高要求，比如，隨著葉片長度的增加，高性能碳纖維的用量會(huì)越來越多。風(fēng)電行業(yè)上的應(yīng)用，風(fēng)機(jī)正在向著大型化發(fā)展，相應(yīng)地對(duì)葉片材料也提出了更高的要求，復(fù)合材料高比強(qiáng)度、高比剛度特性滿足了風(fēng)機(jī)葉片對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求。風(fēng)機(jī)的用材也正由玻璃鋼向碳纖維復(fù)合材料或混合復(fù)合材料轉(zhuǎn)變，風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)復(fù)合材料的需求也會(huì)越來越大。

五、結(jié)束語

先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天、汽車、船舶、風(fēng)電上井噴式的應(yīng)用，已經(jīng)證明了先進(jìn)復(fù)合材料在未來航空航天、汽車、船舶、風(fēng)電等領(lǐng)域的重要地位。先進(jìn)復(fù)合材料制造裝備可保證材料的用量、制造技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本，先進(jìn)復(fù)合材料制造裝備的重要性不可忽視。

目前，復(fù)合材料制造裝備，在國外，已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段；在國內(nèi)僅停留在實(shí)驗(yàn)階段。國內(nèi)幾乎所有的復(fù)合材料制造裝備全部為進(jìn)口。所以緊跟國際最新發(fā)展趨勢(shì)，成為達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流技術(shù)水平的復(fù)合材料制造裝備，最大限度的推動(dòng)航空、航天、汽車、船舶、風(fēng)電等制造業(yè)發(fā)展，提升國家綜合實(shí)力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，（1）.