12 纤维复合材料 1年 4.2预浸料制备 模具向产品各部位施压均匀、温度场均匀,能准确地 预浸料是复合材料制造过程中重要的半成品,控制制件的外部和内部几何尺寸,保证厚度均匀、减 所以发展先进的预浸料制备技术与设备也极大的促小变形和低空隙,提高制品的内部质量。 进了复合材料成型工艺的发展。预浸料制备工艺的4.5制造设备的自动化、大型化,生产线的 不断改进和创新使多种技术得到运用。缠绕成型工 工程化、智能化 艺有预浸带缠绕/后固化工艺、在线(溶液)浸渍缠 先进复合材料开发初期手工工作量较大,不定 绕/原位固化工艺,浸渍工艺中分别出现了反应链增因素较多,随着复合材料结构需求量的增大,走出手 长浸渍工艺、熔融浸渍工艺、溶液浸渍法、纤维混合工劳动,从单件进入小批量,再由小批量向大批量的 法、粉末混合工艺、薄膜叠层法凹。另外,为适应规规模化,必定要将视线转向生产自动化、机械化、大 模化、自动化的生产线,预浸料的制备从最初的手工型化。成型过程中开发智能化技术是提高生产效率 形式到半机械化形式,发展至现在自动控制程度高和产品质量,降低制造成本的有效手段,这些智能化 的机械化形式。比如,我国北京航空工艺研究所研技术包括建立数学模型,以专家系统、神经网络或分 制开发的IP-I、Ⅱ型预浸料排布机,解决了预浸步预测优化的模型系统为中心的在线监控系统吗。 料单位面积纤维含量的控制、树脂含量的控制,以及中国航空工业制造工程研究所引进大型碳纤维预浸 纤维准直度、间隙和重叠的技术难题,并编制了预浸料自动切割机、预浸料铺层激光定位仪、精密控制热 料标准。该设备推广到国内十几家厂所院校,推动压罐等,具有良好的设备能力。在优化工艺、优化组 了我国复合材料的发展 织结构、健全质量管理体系方面,具备了相应必需的 4.3固化过程的优化 软件,在实现先进复合材料工程化生产上迈出了 固化过程极大地影响着复合材料制品的固化大步,产品产量和质量获得显著提高呵 度、基体流动和气泡的形成,进而影响复合材料的力 在复合材料制造设备上,国外大型企业广泛采 学、电气及其他物理性能。传统的热压罐固化周期用了高效的双头铺带机、自动铺放设备、大型热压罐 长,运行周期是在操作前确定的,对操作者的要求较及超声检测设备等,为高速生产机体结构提供了保 高,无法统计人为偶然因素造成的误差等。得益于障。ASC工艺系统公司已制造出用于波音787复合 计算机技术、过程控制原理、新型传感器、人工智能材料机身段固化的、世界上最大的热压罐。该热压 技术的开发和利用,传统的热压罐技术也得到了相罐最大压力1.02MPa,最高温度232℃,作业区面 应的改进。另外,超声技术、介电技术、电阻应变技积9×23(m),容积2214m3,重量500t以上 术等都显示出用于在线固化监测的可行性。它们可B787飞机加工中生产出的第一个全尺寸复合材料 通过连续监测固化过程,调整固化周期以达到控制整体结构机身段的尺寸为7×6(m)。这一包括桁 产品质量的目的。如实时测控并反馈固化压力、温条在内的整体结构是在一副用殷伐钢制成的大型芯 度来控制制品的气孔率、厚度等。除了改进传统热轴中制作的,芯轴上安装有加强筋的W形模腔,加 压罐固化工艺,研究人员又开发了辐射固化、电子束强筋在纤维铺放前被安放在模腔中,应用计算机控 固化、红外加热和微波加热等新的固化技术的。 制的复合材料铺带机完成纤维铺放。模具被安装在 4.4模具的发展 个旋转机构上,随着铺带过程的进行,该机构带动 近几年来,先进复合材料构件成型的模具材料筒型件旋转,然后该构件被包裹并放入热压罐中进 和模具结构出现了许多形式,为复合材料构件的制行共固化,形成带加强筋的壳体结构 造提供了更多的手段和方法。先进复合材料构件对4.6配套技术的全面发展 成型的压力、温度和真空条件有具体要求,从模具材 先进复合材料的切割下料将直接影响产品的质 料和模具结构方面可以采用适当方式来满足。这些量和生产效率。在切割工艺发展的过程中主要有机 新模具材料和新模具结构技术,有的已经进入可批械刀具切割、激光切割、水喷射切割和超声波切割 量生产状态(如殷钢),有的尚处于研究阶段(如形等。新型的切割工艺,自动化的切割系统可以用更 状记忆高分子模具)吗。但它们都对复合材料成型少的人力切割更多的部件,它们比手工切割速度更 工艺的发展起到了重要影响。我国也在开发复合材快,更精确,也更一致。相关联的软件系统可以将设 料模具、软模和芯模技术上取得了巨大的成就,使模计储存起来已备将来使用,必要时还可以进行快速 具的膨胀系数与产品的膨胀系数基本一致,且热容的修正。材料的浪费减至了最低,且裁切下来的材 量小、结构重量轻、装卸方便,并保证在固化过程中料片经过标记后还可用于今后的识别。这样不但可 o1994-2012ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net12 纤 维 复 合 材 料 2011 年 4． 2 预浸料制备 预浸料是复合材料制造过程中重要的半成品， 所以发展先进的预浸料制备技术与设备也极大的促 进了复合材料成型工艺的发展。预浸料制备工艺的 不断改进和创新使多种技术得到运用。缠绕成型工 艺有预浸带缠绕/后固化工艺、在线( 溶液) 浸渍缠 绕/原位固化工艺，浸渍工艺中分别出现了反应链增 长浸渍工艺、熔融浸渍工艺、溶液浸渍法、纤维混合 法、粉末混合工艺、薄膜叠层法［12］。另外，为适应规 模化、自动化的生产线，预浸料的制备从最初的手工 形式到半机械化形式，发展至现在自动控制程度高 的机械化形式。比如，我国北京航空工艺研究所研 制开发的 IPJ － Ⅰ、Ⅱ型预浸料排布机，解决了预浸 料单位面积纤维含量的控制、树脂含量的控制，以及 纤维准直度、间隙和重叠的技术难题，并编制了预浸 料标准。该设备推广到国内十几家厂所院校，推动 了我国复合材料的发展。 4． 3 固化过程的优化 固化过程极大地影响着复合材料制品的固化 度、基体流动和气泡的形成，进而影响复合材料的力 学、电气及其他物理性能。传统的热压罐固化周期 长，运行周期是在操作前确定的，对操作者的要求较 高，无法统计人为偶然因素造成的误差等。得益于 计算机技术、过程控制原理、新型传感器、人工智能 技术的开发和利用，传统的热压罐技术也得到了相 应的改进。另外，超声技术、介电技术、电阻应变技 术等都显示出用于在线固化监测的可行性。它们可 通过连续监测固化过程，调整固化周期以达到控制 产品质量的目的。如实时测控并反馈固化压力、温 度来控制制品的气孔率、厚度等。除了改进传统热 压罐固化工艺，研究人员又开发了辐射固化、电子束 固化、红外加热和微波加热等新的固化技术［13］。 4． 4 模具的发展 近几年来，先进复合材料构件成型的模具材料 和模具结构出现了许多形式，为复合材料构件的制 造提供了更多的手段和方法。先进复合材料构件对 成型的压力、温度和真空条件有具体要求，从模具材 料和模具结构方面可以采用适当方式来满足。这些 新模具材料和新模具结构技术，有的已经进入可批 量生产状态( 如殷钢) ，有的尚处于研究阶段( 如形 状记忆高分子模具) ［14］。但它们都对复合材料成型 工艺的发展起到了重要影响。我国也在开发复合材 料模具、软模和芯模技术上取得了巨大的成就，使模 具的膨胀系数与产品的膨胀系数基本一致，且热容 量小、结构重量轻、装卸方便，并保证在固化过程中 模具向产品各部位施压均匀、温度场均匀，能准确地 控制制件的外部和内部几何尺寸，保证厚度均匀、减 小变形和低空隙，提高制品的内部质量。 4． 5 制造设备的自动化、大型化，生产线的 工程化、智能化 先进复合材料开发初期手工工作量较大，不定 因素较多，随着复合材料结构需求量的增大，走出手 工劳动，从单件进入小批量，再由小批量向大批量的 规模化，必定要将视线转向生产自动化、机械化、大 型化。成型过程中开发智能化技术是提高生产效率 和产品质量，降低制造成本的有效手段，这些智能化 技术包括建立数学模型，以专家系统、神经网络或分 步预测优化的模型系统为中心的在线监控系统［15］。 中国航空工业制造工程研究所引进大型碳纤维预浸 料自动切割机、预浸料铺层激光定位仪、精密控制热 压罐等，具有良好的设备能力。在优化工艺、优化组 织结构、健全质量管理体系方面，具备了相应必需的 软件，在实现先进复合材料工程化生产上迈出了一 大步，产品产量和质量获得显著提高［16］。 在复合材料制造设备上，国外大型企业广泛采 用了高效的双头铺带机、自动铺放设备、大型热压罐 及超声检测设备等，为高速生产机体结构提供了保 障。ASC 工艺系统公司已制造出用于波音 787 复合 材料机身段固化的、世界上最大的热压罐。该热压 罐最大压力 1． 02 MPa，最高温度 232 ℃，作业区面 积 9 × 23 ( m) ，容 积 2 214 m3 ，重 量 500 t 以 上。 B787 飞机加工中生产出的第一个全尺寸复合材料 整体结构机身段的尺寸为 7 × 6( m) 。这一包括桁 条在内的整体结构是在一副用殷伐钢制成的大型芯 轴中制作的，芯轴上安装有加强筋的 W 形模腔，加 强筋在纤维铺放前被安放在模腔中，应用计算机控 制的复合材料铺带机完成纤维铺放。模具被安装在 一个旋转机构上，随着铺带过程的进行，该机构带动 筒型件旋转，然后该构件被包裹并放入热压罐中进 行共固化，形成带加强筋的壳体结构［17］。 4． 6 配套技术的全面发展 先进复合材料的切割下料将直接影响产品的质 量和生产效率。在切割工艺发展的过程中主要有机 械刀具切割、激光切割、水喷射切割和超声波切割 等。新型的切割工艺，自动化的切割系统可以用更 少的人力切割更多的部件，它们比手工切割速度更 快，更精确，也更一致。相关联的软件系统可以将设 计储存起来已备将来使用，必要时还可以进行快速 的修正。材料的浪费减至了最低，且裁切下来的材 料片经过标记后还可用于今后的识别。这样不但可