飛行器結構用復合材料制造技術的應用及展望

2024年3月28日發(作者：分別的作文)

飛行器結構用復合材料制造技術的應用

及展望

摘要：由于復合材料中具有可設計性強，輕質高強，熱穩定性好，比剛度，

比強度較高等特點，在飛行器結構制造技術中廣泛應用。在衡量飛行器先進程度

中復合材料的應用起到重要的技術指標作用。本文主要講解飛行器結構用復合材

料制造技術應用以及展望。

關鍵詞：飛行器；結構；復合材料；制造技術；展望

在飛行器結構制造過程中復合材料的應用越來越廣泛，已經成為飛行器制造

技術發展的重要研究方向

[1]

。由于飛行器在制造中對性能具有較高的要求，因此，

先進復合材料在航空工業中得到了廣泛應用，這種情況也促進了復合材料的進一

步發展。新一代飛行器的發展目標為“輕質化、長壽命、高效能、高可靠、高突

防、高隱身、低成本”。在復合材料中存在抗疲勞、可設計、輕質、高強、容易

實現功能與結構一體化的特點，因此，飛行器結構中先進復合材料的用量也可以

用來衡量飛行器的先進程度。

1 飛行器結構應用復合材料制造技術的發展歷程

早在20世紀60年代中期，在飛行器結構中已經開始應用先進復合材料了，

這些年來，在飛行器結構中復合材料的應用經過由次到主、由小到大，從局部到

整體，從結構到功能的發展過程

[2]

。在第一個階段中，主要在飛行器的受力比較

小的地方應用復合材料，比如口蓋、艙門、方向舵、整流罩等。在第二階段，在

飛行器的平尾、垂尾等一級承力位置應用復合材料。在第三階段中，在飛行器的

機身、機翼等主要承力結構也開始應用復合材料。復合材料具有較強的減重作用，

具有較強的整體成形技術，能夠降低連接，進而提高氣動性能以及結構可靠性。

目前，世界上軍用飛機中復合材料的重量達到整體的20%到50%，幾乎大部分機

構使用復合材料制造。特別在無人機中，為了滿足其生存力、機動性能、隱身性

能等要求，需要盡量減少結構重量，增加燃油的裝載量，因此，大量應用復合材

料。

2 在飛行器結構中應用復合材料制造技術的應用問題

目前，在飛行器結構中大量應用復合材料，可以更好地滿足航天航空的需要。

但是為了進一步發展，在其他材料中脫穎而出，需要解決應用中存在的問題

[3]

。

（1）減重的效率需要進一步提高，造成減重效率較低的原因主要為設計不夠合

理，材料性能的穩定性不夠強，檢測可靠性不夠高。（2）還需要進一步降低成

本。在飛行器結構中應用的復合材料由于驗證分析實驗、制造工藝，加強纖維材

料等多種原因導致造價成本較高。（3）需要深化研究制造的自動化程度以及材

料高性能化。雖然近幾年自動鋪放技術發展較快，但是由于飛行器復合材料制造

工藝比較復雜，在不同類型結構件以及單個構造結構制造過程中自動化的普適性

較低，導致自動化程度較低，需要進一步改進，進而提高生產效率。

3 在飛行器結構中復合材料制造技術應用

3.1數字化制造技術

在飛行器結構中應用的復合材料在制造中具有非常特殊以及復雜的制造技術。

在傳統復合材料結構設計中使用大量試驗的方法，需要耗費大量精力、成本，研

發周期較長

[4]

。為了提高研發效率，因此，將復合材料制造技術從實驗為主轉變

為計算機模擬分析為主，盡量減少實驗，減少周期，進而降低成本。使用數字化

制造技術，可以縮短制造時間，在制造中主要在計算機軟件中分為初步設計階段，

詳細設計階段，最終設計階段，加工輸出階段。通過數字化制造技術，可以提高

定位精度，加強產品加工質量以及勞動生產效率，優化排料技術，降低成本。使

用數字化制造技術，還可以使用安全系統加權的方法保證材料的可靠性，降低制

造過程中受到的不確定性的影響，提高結構設計的可靠性。

3.2液體成型技術

在復合材料的制造中基體、增強體是重要的組成部分。在復合材料發展中原

材料的發展是基礎。在復合材料制造技術中廣泛應用碳纖維、超高分子量聚乙烯

纖維、聚芳香族酰胺纖維、聚苯并噁唑纖維等高性能材料。在基體中一般應用樹

脂系材料，具有較強的耐溫性能。熱塑性樹脂在航天航空中應用廣泛。主要由于

具有較強的抗沖擊韌性，耐疲勞損傷性能，生產效率高，成形周期短，纖維預浸

料時，不需要低溫。可能重復加工，復舊的制品還可以再生利用，在設計中具有

較大的自由度，成形的適應性較廣。在制造時使用液體成型技術，在纖維制品放

入到模具中，通過外加真空輔助條件或者注入壓力，將液態低粘度的樹脂放入模

具中，將氣體排出，制造形成預制件。通過浸潤后，在模具中通過內熱引發交聯

反應形成固化。通過液體成型技術可以提高復合材料結構的均勻性，抗沖刷性，

表面平整性等。

3.3全自動化與低成本制造技術

在飛行器中應用復合材料量逐漸增多，但是制造成本較高，自動化水平較低，

無法滿足飛行器應用的需求

[5]

。通過降低制造成本，可以提高復合材料的性價比。

世界上發達國家都制定復合材料的低成本制造技術的發展計劃。在復合材料制造

技術中通過自動鋪帶技術以及自動鋪絲技術，可以達到低成本，高效率的作用。

在復雜的大尺寸結構制造中適合應用，還可能降低裝配以及制造的成本，減低拼

接零件數量。使用一體化協同設計技術，在復合材料構件中可以無縫集成制造三

維模型，降低鋪設方向，鋪層尺寸的不確定性，提高結構的制造質量。在制造中

應用復合材料非熱壓罐成型技術，可以在保持材料制造結構以及性能良好的同時，

減少固化中對能耗以及設備的要求，降低復合材料生產的成本。在非熱壓罐成型

技術中要求濕態玻璃化轉變溫度、力學性能、孔隙率等達到指標。另外在研究中

還包括樹脂傳遞膜塑成型工藝、真空灌注成型工藝、樹脂膜熔化成型工藝等。

4 在飛行器結構中應用復合材料制造技術應用的展望

在飛行器結構中復合材料制造技術需要進一步發展，提高核心競爭力，充分

參考新型材料應用情況，進而提高復合材料的制造技術水平。在碳納米管材料中

具有較高的強度，韌性，模量，彈性模量達到1TPa,拉伸強度較高，斷裂伸長率

達到15%到30%。在碳納米管剛出現時，主要在膠黏劑、改性樹脂基體中應用。

之后在多尺度混雜復合材料中應用，但是添加量不能超過10%。隨著碳納米管膜

以及紗線的出現，在復合材料中碳納米管的含量逐漸增加，達到40%都60%，還

有進一步發展的空間。在飛行器結構中復合材料制造技術需要進一步降低成本，

提高自動化，提高重效率，增強復合材料的競爭力。

5 結語

在飛行器結構中復合材料的應用量不斷增加，在材料-設計-制造-評價中整

體水平不斷提高，但是還需要突破低成本，高可靠、高效能的要求。通過不斷深

化研究，分析，不斷提高復合材料的質量，達到新一代飛行器的“輕質化、長壽

命、高效能、高可靠、高突防、高隱身、低成本”的目標。

參考文獻：

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//第十一屆先進成型與材料加工技術國際研討會論文集. 2014:25-30.