大型飞机是我国航空工业当前的发展目标之一。复合材料(这里主要指树脂基复合材料)在大型飞机结构上的应用则是此发展过程必然涉及的重要技术。复合材料在航空结构上应用的基本出发点在于用其突出的比刚度和比强度特点来实现给定的减重目标,从而提高飞机性能。近10多年来,随着原材料技术和结构应用技术的发展,除减重之外,复合材料也为实现更低的成本耗费提供了可能的途径,这成为复合材料在大型民用飞机上用量突飞猛进的重要动力。
我国在大型飞机复合材料结构应用方面尚无工程经验。这方面工作现有的技术资源包括2个方面:
(1)国内在非大型飞机复合材料结构研发过程中积累的设计和工艺的数据、规范、方法;
(2)国外公开的大型飞机复合材料结构研发资料。前者的重要性是显而易见的。与非大型飞机相比,大型飞机复合材料结构要素存在众多共通之处,制造过程亦无需大量飞跃性的工艺变革作为必要前提。但另一方面,大型飞机结构毕竟存在其固有特点,这些特点会为结构的制造过程带来前所未有的问题。国外的复合材料结构研发资料对于国内大型飞机研发工作具有重要的参考价值,但从宏观应用策略看,消化国外资料的困难之处在于把握之所以要“在特定的部位,以特定的结构形式,通过特定的工艺方法,应用特定的复合材料”的深层考虑,而此考虑的合理性将直接决定复合材料的应用效益。如仅仅止于表层模仿,则有得不偿失之忧。本文基于国内以往的研发和工程经验,以及国外报道的工程实践,意对国内大型飞机复合材料结构制造可能涉及的成型工艺方法作一讨论,陈其特点和利弊,以求抛砖引玉之效。
国内大型飞机复合材料结构制造可能涉及的成型工艺方法及其特点
飞机复合材料结构的成型工艺方法主要包括以下3类:
(1)预浸料工艺方法。在零件固化工序前预先将基体树脂浸渍增强纤维,并将被树脂浸渍的纤维铺放于特殊载体之上,形成布/带状预浸料。然后将布/带状预浸料在模具上铺叠,形成零件叠层,并将叠层固化成型。
(2)树脂转移工艺方法。在零件固化工序中将基体树脂转移至增强纤维预成型体内部,使基体树脂与增强纤维合为一体,进而固化成型。
(3)纤维丝束缠绕/铺放工艺方法。在零件固化工序前将被基体树脂浸渍的增强纤维束缠绕或铺放于零件的模具表面,形成零件叠层,并将叠层固化成型。鉴于国内当前发展状况,大型飞机复合材料结构研发先期涉及的成型工艺方法会较多地集中于前2类。故本文的讨论也主要关注这2类方法。