复合材料先进技术发展概述

的领域，又有一些针对性的优点，比如无人机的隐蔽性，太阳能材料的导热性等等。本文主要从复合材料成型方式、 复合材料先进加工制造技术、航天先进树脂基复合材料制造技术发展趋势以及复合材料的发展趋势等四方面进行

介绍。关键词 成型方式；先进加工制造技术；发展趋势Development Overview of Advanced Composite Materials TechnologyYANG Jilong , JING Lei, LIU Jiaqiu , LI Jun , WANG Qingmin , CHEN Haoran(Harbin FRP Institute Co.,Ltd., Harbin 150028)ABSTRACT Composite materials get advantages from each other, and they will produce effect, especially the advanced

composite materials, the matrix materials are better than the common one, its stiffness and strength properties are equivalent to

or more than the aluminum alloy. ACM gather the common materials' advantage, and have specific advantages in the particular area, such as the concealment of UAV, thermal conductivity of solar materials.This paper mainly introduces the development

trend of composite material from four aspects: composite material forming mode, advanced composite material processing and manufacturing technology, advanced resin matrix composite material manufacturing technology for aerospace and the

development trend of composite material.KEYWORDS forming method; advanced manufacturing technology development trend1引言随着社会的发展，复合材料的合成品越来越多,

2复合材料成型方式2.1热压罐成型技术使用的工艺也越来越先进，人们开发了一批如碳纤 维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等高性能增强材料，

并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体制成先进复

热压罐固化技术是航空复合材料结构件制造的

主流工艺，目前已形成完整技术体系，热压罐制造 技术生产的制件具有纤维体积含量高、力学性能可 靠等优点目前航天产品主承力结构用复合材料

合材料，在复合材料的基础上得以改进的先进复 合材料有了更大的应用领域叫比如美国的里尔芳

制件基本上都采用热压罐成型工艺制备，但该工艺

2100号就使用碳纤维复合材料来制作；哥伦比亚号 存在能耗较大、设备成本高等问题，在航天领域，

为了大量减少零件，紧固件数目，实现结构减重，

航天飞机的主舱门选择了碳纤维/环氧树脂、压力 容器采用了凯芙拉纤维/环氧树脂；树脂、金属作

为工作物质，陶瓷做基体来制作航天收音机几乎彰 显了很尖端的航天技术；可载80人的波音767大

降低成本，大力推广整体成型技术，取得了显著 效果。如日本H-2A火箭级舱段采用泡沫夹层结构

树脂基复合材料，整体共固化成型，减重约1/3；

型客运飞机主承力器件也是用到先进复合材料|2,o美国MX导弹复合材料发射筒后段长约14m,内

1期复合材料先进技术发展概述39径为2.49m,壁厚41.9mm,复合材料产品质量达

7257.6Kg,采用整体缠绕成型，相比金属减重明显，

大幅提高了战略导弹发射的机动性和生存能力一役

我国运载火箭卫星支架、井字梁，卫星承力筒及天 线面板，固体火箭发动机壳体等均已实现整体共固

化成型。热压罐成型技术从最初的手工铺贴、裁剪 逐渐向自动下料、激光辅助定位铺层等数字化制造

方向发展，这些先进工艺的采用提高了复合材料预

浸料铺、贴、裁剪精度，提高了构件的制造效率和 质量。目前数字化制造技术已经在我国航天复合材

料制品生产中实现了不同程度的应用叫2. 2液体成型复合材料液体成型工艺是继热压罐成型工艺之 后开发的最成功的复合材料成型工艺，也是最成

功的非热压罐低成本复合材料成型工艺，在飞机

结构上应用的液态成型工艺主要有树脂传递模塑法

(RTM)、树脂膜熔融浸渍法(RFI)和真空辅助 树脂浸渍法(VARI)叫 其中,TRMI艺的原理是

在模具内预先放置干态纤维或织物预制件，在压力 注入或外加真空辅助条件下，液态具有反应活性的

低黏度树脂贯穿流动并充填闭合模具，排出气体同

时浸润并浸渍干态纤维结构。在完成浸润浸渍后，

树脂在模具内通过热引发交联反应完成固化，最终

得到成型的制品；VARI工艺是在真空状态下排除

纤维增强体中的气体，利用树脂的流动、渗透，实 现对纤维及织物浸渍；RFI工艺则介于VARI工艺

和热压罐工艺之间，其树脂基体为预侵料树脂，只

是省去了预侵料的制备工艺，将预侵料树脂制备成

树脂膜后铺在增强材料之下或增强材料层之间，然

后在热压罐的热和压力在渗透浸润增强材料并固化

成型［81o2. 2. 1树脂转移模塑(RTM)成型树脂在压力下被注入对合模具；制件内外表面 均有极好的光洁度；可得到较高的纤维体积含量 (57% ~ 60% ) o可应用在叶片、机匣。复合材料 RTM成型技术：这些技术主要有：真空辅助RTM

(VRTM )、压缩 RTM ( CRTM )、Seemann' s 复

合材料树脂渗透模塑成型(SCRIMP)、树脂膜渗

透成型(RFI)、热膨胀RTM(TERTM)、柔性

RTM ( FRTM )、共注射RTM ( CIRTM )以及反应 注射成型(RIM)等叫2. 2. 2 真空辅助 RTM (VARTM/VARI)成型通常使用单面开放模具，抽真空使液态树脂渗

入预制体，需采用低黏度树脂，与模具型面相贴的

制件表面有极好的光洁度；相比于RTMI艺，模

具较为便宜得到的纤维体积含量通常较低(50% ~

55% )。可应用在机翼、襟/副翼、扰流板I10,o

2.2.3树脂膜渗透(RFI)成型在模具底部或预制体层间放置树脂膜，通过热

压罐的热压环境或烘箱熔融树脂并使其进入预制

体；可用于生产高质量的部件，可应用在机身后压

力框叭3模压成型模压成型工艺是在金属铝复合材料生产中一项

既古老又能够随着时代的发展不断展现出新生命的

一种成型方式。主要就是通过将一定的材料加入金

属模具中，通过加热、加压的方式，使材料固化成

型。这种工艺的优势就在与能够实现集中化、大规

模的生产，有利于专业化和自动化生产。并且在模 具内部进行施压，能够保障产品表面的光滑，表面

出现分子取向的问题，能够在一定程度上保障其性 能。生产效率高，产品尺寸精度高，重复性好，表

面质量好。可应用在窗框、直升机桨叶问。3. 1缠绕成型缠绕成型工艺的发展已经有半个世纪，随着缠 绕技术的不断更新，缠绕工艺基本已经成型，并成

为金属铝复合材料重要施工工艺之一。缠绕成型工

艺主要就是通过将浸水的金属铝复合材料按照一定 的规律，缠绕在芯模中。然后通过固化脱模，最终

获得制品。缠绕成型工艺的优点有：①能够根据

产品的受力情况，进行缠绕规律的设计，保障纤维

强度得到充分发挥。②比强度较高，纤维缠绕制品 的压力与等体积的钢制容器来比，重量能够减轻近

50%左右。③生产效率较高，通过采用机械化生产

和自动化生产的方式，能够减少人工的参与。④成

本较低，在生产中恶意选择多种材料复合，能够降 低材料成本。⑤可靠性较高，由于实现了机械化生 产的方式，能够在一定程度上降低保障产品质量的

精准性。但是这样的工艺也具有一定的缺点：①

适应性较小，只能针对外形结构能够缠绕的产品。

一般外观较为复杂的产品都不能采用这样的方式进 行生产。②投资较高，该工艺需要有缠绕机、芯模、

加热炉、技术娴熟的工人等，因此，在施工方面投

40纤维复合材料2019 年资较大，只有进行大规模生产的时候.才能保障经 济效益。一般用于生产筒形部件；生产效率高，成 本低。可应用在运载火箭筒体、雷达罩、机匣\"I3. 2拉挤成型复合材料拉挤成型工艺的研究主要起源于20

世纪50年代，直到70年代，拉挤技术才有了重大

的突破。这种工艺主要就是利用已经浸润的纤维，

在牵引力的作用下，在模具中成型，并且在炉中固

化，生长出长度不受限制的符合材料。生产效率高， 自动化程度高，材料浪费率低，成本低，重复性好。

可应用在地板梁、座椅、内饰板。热塑性先进复合

材料低成本成型技术网。3.3自动缠绕与铺放技术预浸料自动铺带技术适于铺放形状简单的制

品，具有铺放效率高、纤维取向偏差小、铺层间

隙控制精度高以及材料利用率高等优点、纤维自

动铺放技术适于铺放形状复杂的结构制品美国于

1960年代中期率先开发成功自动铺带技术，1980

年代以后已经开始广泛应用于飞机制造，如F-22、

Boeing 777、C-17、V-22、A330/340 和 A380 等。

1990年代以来，由于在成型设备、软件开发、铺

放丁艺和原材料标准化等方面的大幅度发展，自动

铺放技术在Boeing787、A400M和A350XWB等大

型飞机上得到应用，借助于自动铺放技术美国ATK 公司研制岀复合材料仪器舱段及导弹发射筒。此外，

美国还采用自动铺丝成型工艺中的自动铺丝技术成

型岀Minotaur火箭整流罩#航天飞机的低温贮箱和

Atlas5型运载火箭发动机短舱、防护罩等［71o国内自动铺丝技术研究较晚，技术水平明显落

后于欧美发达国家”南京航空航天大学和北京航空 制造工程技术研究所先后研制成功自动铺带装备。 国内结构复合材料研究的一些主要机构，如哈尔滨

飞机工业公司、航天材料及工艺研究所等单位均对

自动铺放技术进行了研究。西安交通大学以通用 机器人为平台，研究基于紫外光快速原位成形铺

丝技术，并对热固性预浸料铺放压力和铺放温度对 复合材料层合板的性能进行了探索研究；哈尔滨工

业大学在6轴缠绕机平台基础上开展自动铺丝机研 究，完成小型自动铺丝样机研制。北京航空制造工

程技术研究所与Frorest-line公司合作，通过采购 Frorest-line铺丝头集成研制大型自动铺丝机。航天

材料及工艺研究所研制成功2500 x 5500中型工业

用自动铺带机，实现了大型碳纤维复合材料筒段的

自动铺带成型，提高了产品质量和生产效率，使成

型周期缩短近50% ;十二五期间，开展了自动铺丝 技术的研究，实现曲面结构的自动铺丝成型工艺技

术.实现了异形曲面复合材料构件自动铺丝成型，

进一步提高复合材料制品的自动化成型水平。后续

将针对铺丝试验中存在的软硬件配套不完善、工艺

匹配及控制以及铺层质量检测控制等不足，继续完

善国内铺丝技术体系，推动国内自动铺丝技术在型 号研制生产中的应用,91o3. 4快速成型等方面快速成型技术是计算机辅助设计及制造技术、 逆向工程技术、分层制造技术（SFF）、材料去除成 型（MPR）、材料增加成型（MAP）技术以及它们的集

成，是基于离散/堆积成型原理的成型方法。其基

本原理是：把三维零件看成是许多二维平面沿某一 坐标方向叠加而成，将CAD系统内三维实体模型

离散成一系列平面几何信息，采用黏接、熔结、聚

合作用或化学反应等手段，逐层有选择地固化液体

（或黏接固体）材料，快速堆积制作出所要求形状

的零部件（或模样）。快速成型技术利用三维CAD

的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成 实体原型。目前可以采用快速成型先进技术制造的，

并广泛应用的是ABS塑料\"5!o4复合材料先进加工制造技术复合材料先进加工制造技术主要表现在焊接、 切割、切削、黏接、激光铺层定位和快速成型等方

面 |5' 8,04. 1激光焊接激光焊接是利用激光的能量把工件上加工区的 材料熔化，使之黏合在一起。由于热塑性树脂易于

吸收远红外波段的辐射能，对于二极管激光器产生

的近红外光是透光的，大部分能量不被树脂吸收。

这可以在树脂基复合材料中有选择地加入添加剂，

如色素、填充剂、强化剂等使树脂吸收激光能量4. 2感应焊接感应焊接的基本原理是基于导体在磁场中产生

感应电流。由于材料内存在电阻，会导致热耗散。

加热单元埋留在胶接界面，因此,要求它和复合材

料相匹配是很重要的。磁场可以用来加热石墨纤维 和涂覆卡臬涂层的石墨纤维：Benatar和Gutowski采

1期复合材料先进技术发展概述41用热塑性预浸料和涂覆镰涂层的石墨纤维进行了焊 领域应用的复合材料，如玻璃纤维、碳纤维、凯夫

接试验。在两层聚合物膜之间夹层的加热单元可以 拉纤维、各种蜂窝材料、预浸纤维材料和各种泡沫 材料等。欧洲和美国的各大飞机制造厂和航空复合 材料的研发生产企业都已广泛地采用超声切割设备

用于生产。目前，国内航空业也开始采用这项技术

形成很好的胶接切。4. 3超声焊接超声焊接是一种由震动能引起表面激振而耗散

成热能，从而导致表面熔化而流动来黏接零件。通

用于生产，其应用前景令人鼓舞。相信这项技术必

常为了控制工艺，在焊接的零件之一的表面制成了

人为的凹凸面（称为聚能带或导能带），如两块热 塑性复合材料焊接，其中之一要被制成带三角形的

将推动我国兵器装备、航空制造技术，特别是复合

材料制造技术的进一步提高113,o4. 7黏接纯热塑性塑料的突棱来作为导能带。对于焊接大型 复合材料一般使用胶黏剂或溶剂进行黏接。具

有工艺简便、易于掌握、劳动强度小、生产效率高、 表面平整、外观整洁、成本低等特点。多数热固性

零件，可以采用两种方法来进行焊接：（1 ）序列焊

接法，嵌入焊接复合材料时将零件划分成区域，连 续焊接这些相邻的区域，直至完成整个零件；（2）

树脂基复合材料黏接比较容易，通常采用环氧或改 性环氧胶黏剂；热塑性树脂基复合材料黏接可采用 含有乙烯基团或合成橡胶的溶剂型胶黏剂进行黏接。

扫描焊接法，焊接时零件以恒定速度移动来完成焊 能阻燃）薄膜时，采用序列焊接方法可以获得非常

高的搭接剪切强度，并已成功地用于长lm、直径

接。对PEEK/石墨复合材料焊接表面使用Ul-tem（全 溶剂黏接和胶黏剂黏接，如PVC表面处理后可采用

目前，有关C/C复合材料黏接技术的文献报道较少。 其使用的耐高温胶黏剂需具有良好的耐热性能和韧

lm的罐的焊接盟。4. 4激光切割性，如卫星、洲际导弹以及先进超音速巡航战斗机 上采用的耐高温胶黏剂，多以聚酰亚胺、聚苯并咪

哩或卡十硼烷环氧树脂为主。胶黏剂发展越快，黏

激光切割速度一般超过机械切割速度.对复

合材料切割厚度可达几十毫米，切割宽度一般为

0.1 ~ 0.5mm。与传统切割法相比，激光切割有很

接技术也发展越好，在设备零件的维修与改造、复

合材料整体结构制造领域的应用也就越广泛⑷。多优点：它能开岀狭窄的切口，几乎没有切割残 渣，热影响区小，切割噪声小，切割速度快，并 可以节省材料15% ~ 30%,成本低等。目前薄材

5航天先进树脂基复合材料制造技术

切割速度可达15 m/min,热影响区只有切缝宽的

10% ~ 20%,最大切割厚度可达45 mm,已广泛应

发展趋势航天先进树脂基结构复合材料将以航天产业需

用于飞机三维蒙皮、框架、舰船船身板架、直升机 求和发展为牵引，重点突破航天技术发展中的关键

旋翼、发动机燃烧室等㈣。4. 5超高速切削共性材料技术和瓶颈技术，全面实现基础材料系列 化、标准化，成型工艺低成本、自动化、数字化及 智能化，复合材料构件高可靠、功能化、整体化。

超高速切削技术是指采用超硬材料的刀具，通 过极大地提高切削速度和进给速度对零件进行切削

加工的一项先进加工制造技术。由于树脂基复合材

①完善高性能纤维及树脂基体等关键基础材料体系

发达国家已经完成了纤维、树脂、预浸料和织物等 材料体系的建设，其发展方向是进一步优化性能、

降低成本。大力开展工艺模拟及仿真技术研究建立

料具有高比强度和比刚度，属于难切削材料。随着

超高速切削机床和刀具技术及相关技术的迅速进步, 此技术已应用于航空、航天、汽车、模具、机床等

复合材料树脂流动与浸渍、抑制孔隙产生、热传递 及固化动力学模型，建立树脂压力监测系统，指导

和优化固化工艺，有效防止产品缺陷的形成。②控

行业中，在纤维增强树脂基复合材料的车、铳、锂、

钻、拉、较、攻丝、磨削等已经有了一定的应用⑶。4. 6超声切割制尺寸精度，提高产品质量。同时加强复合材料缺 陷对性能的影响研究，为设计制定合理的验收条件 提供依据，从而提高产品合格率。③实现复合材料

超声切割是利用超声振动的能量对材料进行切

割。切割速度要比传统的铳加工速度大得多。超声

切割能更有效、更精确地加工兵器装备、航空制造 制品的低成本、数字化及智能化制造在复合材料成

42纤维复合材料2019 年本组成中，制造成本占绝大部分，为进一步降低复 合材料成本，必须深入开展高效低成本制造技术研

究代6展望先进复合材料已经进入发力期.凭借其耐高温、

耐高压、耐腐蚀、高强度等优良特性.已经慢慢取

代一些传统的模式，汽车领域的专家就曾预言，汽

车制造中的冲压、焊接、涂装、总装将来可能会被 代替，他们甚至预言，将来的汽车制造将会十分简 单，只要直接将先进复合材料粘合即可当前 航空航天即将进入高速发展的时期，所以也会有力

带动航空航天材料特别是先进复合材料的发展，同

时，先进复合材料也在急速进展，由于其轻质、高 强度、耐腐蚀、耐高温、性能可裁剪等诸多优点，

也会在航天领域大放异彩。先进复合材料的轻质性、

隐蔽性、成本低等特点也为无人机的发展提供了一

个方向。由此可见，先进复合材料一直处于高速发 展的状态，可以预见，不远的将来，复合材料能为

我们带来一个全新的、轻质的生活。然而复合材料

要达到传统材料的成熟应用水平还有很大的发展空 间，因而需要材料、设计、制造、评价整体水平提

升，需要微观、宏观多层次协调深化研究，需要从 高效能、高可靠与低成本化中寻求突破。我国复合

材料研究水平与发达国家基本持平，在增强材料与

基体材料方面相对差距较小，但应用水平则差距较

大，这种差距主要体现在结构设计与验证分析方法、

高可靠检测评价技术与高品质自动化制造技术等方 面。因此，我国应加强与此相关的研究工作，缩短

与国外发达国家复合材料应用方面的差距，实现我

国复合材料技术与应用水平的跨越式发展|9-\"' l8,o参考文献[1] 苏霞.先进复合材料制造技术[J].橡塑技术与装备(塑料)，

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