先進(jìn)材料與技術(shù)

先進(jìn)材料與技術(shù)航空技術(shù)發(fā)展與先進(jìn)復(fù)合材料學(xué)院：理學(xué)院學(xué)號(hào)：姓名：隨著先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)和工藝技術(shù)的迅速發(fā)展，復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用比例穩(wěn)步增長(zhǎng)，應(yīng)用部位從非承力、次承力結(jié)構(gòu)向主承力和核心部件擴(kuò)展，本文總結(jié)了近年來推動(dòng)復(fù)合材料發(fā)展的先進(jìn)材料技術(shù)和制造工藝技術(shù)。航空復(fù)合材料是一種由高強(qiáng)度、高剛度增強(qiáng)材料構(gòu)成的新型材料，具有良好的抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料是綜合權(quán)衡飛機(jī)減重、性能、成本三方面因素的理想材料，在飛機(jī)上大量應(yīng)用可以明顯減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)的性能［1］。受益于近二十年來復(fù)合材料技術(shù)和制造工藝技術(shù)的進(jìn)展，復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量大幅增長(zhǎng)，顯著提高了飛機(jī)的綜合性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，預(yù)浸料成本目前已降到120?190美元/kg,結(jié)構(gòu)制造成本已從上世紀(jì)90年代初1100美元/kg,降到目前275?330美元/kg。復(fù)合材料原材料成本和結(jié)構(gòu)件制造成本的大幅度降低，經(jīng)進(jìn)一步擴(kuò)大了復(fù)合材料的減重、性能和成本優(yōu)勢(shì)。一、航空先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展分析復(fù)合材料原材料方面,航空用各種樹脂基復(fù)合材料水平有大幅度提高。在碳纖維材料方面，大絲束12k、24k已逐漸代替3k及6k,高強(qiáng)度的T700S及T800S已開始廣泛生產(chǎn)。以977-3/IM7和3900/T800S為代表的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料已發(fā)展到第二代，其CAI達(dá)到245?315MPa，堪稱首屈一指。以5250-4/IM7為代表的雙馬基高溫復(fù)合材料已發(fā)展到第二代，工作溫度達(dá)到177°C,廣泛用于飛機(jī)高溫部位。聚酰亞胺復(fù)合材料廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部位，缺點(diǎn)是含甲撐替二苯胺(MDA)有毒，美國(guó)研究出無MDA的預(yù)浸帶可用于發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)；因鈦合金稀缺，聚酰亞胺預(yù)浸帶正研究用來代替500C以下的鈦合金。美國(guó)Amber公司開發(fā)的C740阻燃氰酸乙酯樹脂與碳纖維組成的材料固化后工作溫度可達(dá)344C，可用作無人機(jī)S-100的尾噴管及發(fā)動(dòng)機(jī)。二、航空復(fù)合材料先進(jìn)工藝技術(shù)發(fā)展分析航空復(fù)合材料先進(jìn)工藝技術(shù)方面，數(shù)字化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、低成本技術(shù)以及先進(jìn)工藝裝備的應(yīng)用和發(fā)展，推動(dòng)了復(fù)合材料工藝技術(shù)從以手工制造、模擬量傳遞為特征的傳統(tǒng)技術(shù)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰詣?dòng)化制造、數(shù)字量傳遞為特征的先進(jìn)技術(shù)，目前在航空復(fù)合材料中得到廣泛認(rèn)可和推廣應(yīng)用的先進(jìn)制造技術(shù)如下：1、數(shù)字化技術(shù)廣泛應(yīng)用采用數(shù)字量形式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面描述和數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造之間的無縫集成。目前復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化制造主要體現(xiàn)在預(yù)浸料自動(dòng)下料、激光鋪層定位和纖維自動(dòng)鋪放等方面。2、自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展自動(dòng)鋪疊可成型超大尺寸和形狀復(fù)雜的復(fù)合材料制件，而且質(zhì)量穩(wěn)定，工件凈近成形，加工切削加工及原材料耗費(fèi)減少。自動(dòng)鋪帶及絲束鋪放的材料利用率達(dá)到80?97%，而手工鋪層的材料利用率僅為40%，先進(jìn)鋪帶技術(shù)可降低制造成本30%?50％。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年前全球只有不足100臺(tái)自動(dòng)化復(fù)合材料鋪層機(jī)，到2007年全球擁有自動(dòng)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造用機(jī)器人設(shè)備250臺(tái)。2007年大型民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)只有43%是用自動(dòng)化制造的，預(yù)計(jì)10年內(nèi)將達(dá)到64%。復(fù)合材料自動(dòng)化技術(shù)包括自動(dòng)鋪帶技術(shù)和自動(dòng)鋪絲(AFP)技術(shù)。目前最先進(jìn)的第五代鋪帶機(jī)是帶有雙超聲切割刀和縫隙光學(xué)探測(cè)器的十軸鋪帶機(jī)，鋪帶寬度最大可達(dá)到300mm，鋪帶速度達(dá)1.3?20.4kg/h，生產(chǎn)效率可達(dá)到手工鋪疊的數(shù)十倍。所有波音787翼面及翼盒構(gòu)件均采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造。除廣泛采用自動(dòng)化鋪層設(shè)備外，還廣泛采用了大型自動(dòng)化高速噴水切割機(jī)、超聲切割機(jī)、數(shù)控自動(dòng)化鉆鉚機(jī)、大型剪切螺栓緊固機(jī)等。3、液態(tài)成型、非熱壓罐固化等多種工藝日趨成熟VARTM技術(shù)是目前液態(tài)成形技術(shù)中發(fā)展得較為完善的一種，在CRJ700/900支線飛機(jī)、A380、787機(jī)身后壓力隔框及A400M貨艙門上廣泛應(yīng)用了VAP技術(shù)，纖維體積密度達(dá)到65%，孔隙率小于0.2%。非熱壓罐固化雖會(huì)使纖維體積含量減少，但其影響甚小，如在VARTM技術(shù)中，單向帶及織物的纖維體積含量已分別達(dá)到60%和56%，而熱壓罐固化所能達(dá)到的相應(yīng)值也僅為62%和58%[2]。較之VARTM和RTM更接近傳統(tǒng)方法的是采用為非熱壓罐固化開發(fā)的專用預(yù)浸料，然后在固化爐中固化。目前，先進(jìn)復(fù)合材料公司的首個(gè)熱壓罐外固化復(fù)合材料MTM44-1已取得空客認(rèn)可用做結(jié)構(gòu)件。4、先進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用復(fù)合材料制件無損檢測(cè)設(shè)備主要需要配置大型超聲C掃描設(shè)備和X光無損檢測(cè)設(shè)備。此外激光剪切攝影及激光超聲檢測(cè)也是主要發(fā)展方向。在超聲檢驗(yàn)技術(shù)上最重要的進(jìn)展之一是相控陣檢驗(yàn)的開發(fā)。相控陣超聲檢驗(yàn)與傳統(tǒng)超聲檢驗(yàn)相比，改進(jìn)了探測(cè)的概率，并明顯加快了檢驗(yàn)速度。波音及空軍實(shí)驗(yàn)室等采用了一批先進(jìn)的無損檢測(cè)技術(shù)。波音公司的移動(dòng)式自動(dòng)掃描機(jī)（MAUS）C掃描系統(tǒng)，檢測(cè)速度9.3m2/h；空軍實(shí)驗(yàn)室的激光超聲檢驗(yàn)速度是水浸超聲探傷的10倍。此外還有電子剪切成像、相控陣超聲等多種方法。5、大型工藝裝備的建立波音787的機(jī)翼固化用熱壓罐8X40m,機(jī)身固化熱壓罐9X23m。A380固化用熱壓罐9X42m,為世界之最。此外還有Viper6000自動(dòng)鋪放機(jī)、大型噴水切割機(jī)、隔膜成形機(jī)以及自動(dòng)鉆鉚機(jī)等也是重要的大型設(shè)備。大型構(gòu)件的模具重量太大，重達(dá)45360kg,采用復(fù)合材料作模具，使波音787的后機(jī)身模具重量降低60%。目前還在開發(fā)氣相沉積薄殼鎳基合金模具，低溫固化復(fù)合材料制的模具、碳泡沫模具以及納米技術(shù)改性模具等。6、手工鋪層在次承力結(jié)構(gòu)制造中仍不可替代手工鋪層在定貨量小，質(zhì)量要求高的場(chǎng)合仍廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是可使蒙皮厚度有大的變化，進(jìn)行局部加強(qiáng)。目前手工鋪層使用了許多專用設(shè)備來控制和保證鋪層的質(zhì)量，如復(fù)合材料預(yù)浸料自動(dòng)剪裁下料系統(tǒng)、鋪層激光定位系統(tǒng)等，從而將依賴于樣板的制造過程轉(zhuǎn)變?yōu)榭筛鶕?jù)復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行全面運(yùn)作的制造過程。在某些形狀復(fù)雜的次承力構(gòu)件制造中，手工鋪層仍是不可取代的。手工鋪層的缺點(diǎn)是要求鋪層人員有很高的技藝和施工經(jīng)驗(yàn)，手工鋪貼費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率低、成本高（占總成本的1/4），難以適應(yīng)大批量生產(chǎn)和大型復(fù)雜復(fù)合材料制