轻型飞机复合材料的性能及制造工艺分析

轻型飞机复合材料的性能及制造工艺分析

罗梨丹

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摘要

随着复合材料技术和生产工艺的快速发展，复合材料在飞机上的应用比例稳步提升，极大地推动了飞机的轻量化设计。但是复合材料的生产工艺较为复杂，生产成本较高，在一定程度上影响了复合材料的大规模使用。因此对轻型飞机复合材料的性能和生产流程进行简单地阐述分析，对轻型飞机复合材料的制造工艺展开系统地分析探讨，为复合材料生产工艺的优化更新奠定了良好的基础。

关键词：轻型飞机；复合材料；性能；制造

最近几年，复合材料的设计与生产成为热门话题，复合材料为飞机的轻量化、高强度、高性能发展提供了有利条件。但是复合材料在飞机上的应用不是一帆风顺的，还受到生产成本、制造工艺等诸多因素的影响，如何优化复合材料生产工艺，推动轻型飞机制造技术的进步发展，是一件非常重要的事情。

一、轻型飞机复合材料的性能

随着材料工程技术的发展，复合材料应运而生，在生产生活等诸多方面都得到了广泛的普及与应用，飞机的生产制造也不例外。复合材料不仅可以弥补单一材料的缺陷，而且能够提升轻型飞机的性能。轻型飞机复合材料的优点如下所示：

（一）高比强度和高比刚度

比强度和比刚度是判断飞机材料承载能力的重要指标，数值越大，说明材料的重量越轻，相对强度和相对刚度越大。例如在拉伸强度相同的场景中，复合材料的密度只有钛合金的1/3，因此把复合材料应用到飞机身上，能够大大减轻飞机的重量，延长飞机的续航里程。

（二）抗疲劳性能强

飞机在起飞、转弯、降落过程中，会承受不断变化的压力载荷，这对材料的抗疲劳性能提出了很高的要求。而复合材料就拥有这一特性，甚至有的纤维增强树脂复合材料的抗疲劳性能已经超过了钢铁，这是因为复合材料中的纤维对构件表面的裂纹有良好的桥接作用，能够防止裂纹快速扩散。轻型飞机和民用飞机的使用寿命约为30年，而复合材料的抗疲劳性能能够轻松达到这一要求。

（三）装配工艺简单

复合材料比较适合整体成型，能够减少零部件的数量，降低飞机整体设计的计算工作量，装配工艺也变得更加简单。如今，很多民用飞机的机翼、尾翼、大梁都采用了复合材料，这些材料都是预制加工出来的，能够将复杂的结构整合到一起，减少零件、紧固件、模具的数量，进而减少装配连接程序，不仅简化了飞机的制造流程，而且提升了飞机的强度。

二、轻型飞机复合材料的加工流程

复合材料属于典型的面向订单生产的离散型制造业，具有以下几点特征：

首先，复合材料的制造工艺复杂，加工过程中需要多种多样的工程装备，制造工具、文献资料也数不胜数，因此加工前需要进行大量的准备工作，保证复合材料的质量能够符合要求，这样以来，复合材料的加工周期也会有所延长。

然后，自动化水平低，很多复合材料的生产制作都是依靠人工完成的，自动化水平比较低，特别是一些结构比较复杂的飞机零部件，根本无法使用自动化生产技术。由于人工操作水平有限，再加上人工操作熟练程度的差异，导致产品质量也有所不同。

最后，生产环境要求严格。在复合材料生产制造过程中，下料、辅层等关键工序通常需要在恒温、无尘的车间内进行。一旦生产线上出现灰尘、杂质，将会对复合材料的生产质量产生不可忽视的影响。

二、轻型飞机复合材料的制造工艺

轻型飞机对材料的要求非常高，需要满足坚固、质量小、抗疲劳性能强、耐腐蚀性强等多种要求，因此轻型飞机复合材料的加工制造也比较复杂，具体内容如下所示：

（一）真空辅助成型工艺

真空辅助成型工艺能够生产出柔软性较高的真空袋薄膜，而且能够在真空负压下把模腔中的气体排出，利用树脂的流动性和渗透性发挥作用。真空辅助成型工艺的树脂黏度非常小，不仅拥有较高的密度，保证真空度符合要求，还能将材料中的气泡排出，减少产品孔隙率，使之形成合适的产品厚度。在实际操作过程中，需要充分考虑复合材料生产制造的可行性，并开展一系列摸底实验，确保复合材料达到使用要求。

（二）非热压罐固化成型

非热压罐固化成型技术的研发费用比较少，生产工艺价值非常高。在飞机制造产业中，复合材料的价值链比较短，且国内复合材料供应链的竞争压力非常大。非热压罐固化成型技术的核心是在加热炉内实现固化成型，在这样的工艺技术下完成复合材料的制造和生产，在减少制造成本的同时，还能缩短制造周期，提升生产效果。与过去的生产工艺相比，非热压罐固化成型技术的生产效率比较高，适合轻型飞机零部件的批量化生产。由于轻型飞机制造标准比普通飞机高得多，因此制造成本也比较高，对于复合材料的要求也很高，因此需要对非热压管成型展开进一步地研究与分析。

（三）预沉料真空袋压成型

预沉料真空袋压成型技术生产出来的复合材料密封性非常好，在真空负压下能够有效排出材料中的气体，在特定温度下进行固化。预浸料中的胶质含量可以根据使用需求进行适当地调整，因此实用价值非常高，能够运用到轻型飞机当中。把预沉料真空袋压成型技术生产出来的材料进行实验对比，发现预浸料的各项性能都非常出色，应用到轻型飞机制造中的效果非常理想，此外该技术还能生产出夹芯板，树脂含量非常高，能够满足轻型飞机的使用需求。

（四）复合材料生产制造工艺分析

轻型飞机复合材料生产制造过程中，需要充分考虑复合材料的研发成本和制造成本，尽可能实现复合材料的批量化生产，推动我国航空事业的进一步发展。但是就目前来看，复合材料的生产成本非常高，市场上的复合材料价格也居高不下，在一定程度上阻碍了轻型飞机的进一步发展。以热压灌成型技术为例，虽然该技术的应用频率比较高，但是该生产工艺对生产设备的要求比较高，导致轻型飞机的整体造价水涨船高。因此在以后的发展过程中，需要对热压罐成型技术进行优化改进，想方设法降低复合材料的制造成本，优化复合材料的生产工艺，提升复合材料的各项性能，为轻型飞机的未来发展提供强大的技术支撑。

总结

复合材料具有高比强度和高比刚度、抗疲劳性能好、装配工艺简单的优势特点，非常适用于轻型飞机的生产与制造。但是复合材料的加工流程比较复杂，而且制造工艺复杂、自动化水平低，对复合材料在轻型飞机中的应用产生了极大的制约作用。因此在以后的发展过程中，相关企业应该加大复合材料生产工艺的创新力度，降低复合材料的制造成本，为复合材料在轻型飞机中的批量化应用而不懈努力。

参考文献

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