先進復(fù)合材料因其性能優(yōu)異，在航空航天、艦船、交通運輸、建筑、體育運動以及能源等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、服役載荷和使用環(huán)境復(fù)雜，微小的缺陷經(jīng)跨層次的蔓延生長可導(dǎo)致構(gòu)件的失效，故其安全性和可靠性是其應(yīng)用中首要考慮的內(nèi)容[1]。為提高復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，減少人為因素的影響，復(fù)合材料成型自動化是復(fù)合材料成型技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

       復(fù)合材料自動化成型技術(shù)及應(yīng)用

自1985年以來，自動化成型技術(shù)在復(fù)合材料制造業(yè)中的應(yīng)用范圍不斷擴大，已經(jīng)逐漸滲透到復(fù)合材料設(shè)計和制造的各個領(lǐng)域(纏繞成型、自動鋪放成型、拉擠、編織、縫合和RTM等)，在推動復(fù)合材料設(shè)計和制造技術(shù)發(fā)展、降低構(gòu)件制造成本中的巨大作用已達成廣泛共識[2]。復(fù)合材料成型自動化不僅提高了復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，而且通過對成型工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)的精確控制，可以極大地提高復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。復(fù)合材料自動化成型技術(shù)作為將結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和制造連接一體的紐帶和橋梁，將機械制造技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)等多個學(xué)科技術(shù)引進到復(fù)合材料成型過程，尤其適合手工成型難以完成的大尺寸、超大尺寸以及復(fù)雜形面結(jié)構(gòu)件的成型。

目前為止，國外復(fù)合材料自動化成型技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。以自動鋪放技術(shù)為例，已在多種航空航天器的各種結(jié)構(gòu)件上得到應(yīng)用，如航天載荷適配器、整流罩、燃料儲箱、機翼、尾翼、垂尾、進氣道、中央翼盒等[3-6]。

國內(nèi)復(fù)合材料自動化成型技術(shù)發(fā)展較晚，航天材料及工藝研究所積極推動復(fù)合材料自動化成型技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展，在激光鋪層定位、自動鋪帶、纖維纏繞、自動鋪絲等技術(shù)的工程應(yīng)用研究取得了階段性進展，實現(xiàn)了多項自動化成型的工程應(yīng)用。

航天復(fù)合材料自動化成型關(guān)鍵技術(shù)

1 自動下料與激光鋪層定位技術(shù)

目前，手工鋪層仍被廣泛使用，尤其適合一些復(fù)雜型面的小型構(gòu)件成型，甚至像B-2轟炸機及一些通用飛機的制造也采用了大量手工鋪層工序[7]。如何通過數(shù)字化手段提高手工鋪層的構(gòu)件質(zhì)量和勞動效率，充分發(fā)揮手工鋪貼在蒙皮厚度調(diào)整、局部加強、金屬加強片嵌入、加強筋增強以及蜂窩夾芯區(qū)等方面的技術(shù)優(yōu)勢，是手工鋪層技術(shù)的研究熱點。

航天材料及工藝研究將復(fù)合材料自動下料與激光鋪層定位技術(shù)引進到復(fù)合材料手工成型過程中，通過對數(shù)控下料機、激光投影設(shè)備以及輔助設(shè)計制造軟件的綜合運用，實現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化輔助人工鋪放。采用復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計制造軟件將構(gòu)件的三維實體數(shù)模展開生成鋪層排料的二維數(shù)據(jù)，生成復(fù)合材料構(gòu)件各鋪層的2D輪廓數(shù)據(jù)，并將輪廓信息輸入至數(shù)控剪裁機進行自動下料，并借助激光定位系統(tǒng)在預(yù)先固定好的模具上顯示鋪層輪廓和軸線，保證在鋪疊過程中的準(zhǔn)確定位。

采用自動下料和激光鋪層定位技術(shù)輔助進行手工鋪層技術(shù)，下料準(zhǔn)確度顯著提高，降低了鋪層取向誤差，產(chǎn)品質(zhì)量可以有效保證，可提高成型構(gòu)件質(zhì)量的穩(wěn)定性，而且降低了勞動強度，提高手工成型的生產(chǎn)效率，對操作人員的技藝水平和施工經(jīng)驗要求顯著下降。

2 自動鋪帶技術(shù)

隨著復(fù)合材料構(gòu)件在航空航天器上的大量應(yīng)用，完全人工鋪放和數(shù)字化輔助人工鋪放缺點日益顯露，要求鋪層人員有很高的技藝和施工經(jīng)驗，手工鋪貼費工費時，效率低、成本高，難以適應(yīng)大批量生產(chǎn)和大型復(fù)雜復(fù)合材料制件的生產(chǎn)要求。自動鋪帶應(yīng)運而生，作為手工帶鋪放的替代，其采用自動控制技術(shù)實現(xiàn)預(yù)浸帶的定位、鋪放、壓實、剪裁等功能，尤其適合小曲率曲面構(gòu)件( 如筒段、翼面、壁板等) 的自動化成型[8]。

航天材料及工藝研究所以大型筒形結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件為目標(biāo)開展了自動鋪帶技術(shù)工程應(yīng)用研究。突破了高性能干法預(yù)浸料制備技術(shù)，研制出了適于自動鋪帶使用的預(yù)浸料JT300/605，其性能如表1所示，實現(xiàn)了自動鋪帶用預(yù)浸料的批量生產(chǎn);突破了預(yù)浸料分切技術(shù)(見圖1)，形成了各種幅寬的自動鋪帶用預(yù)浸帶的分切制備能力，分切寬度達10~150mm，分切精度為±0.5mm/100m，初步滿足了現(xiàn)階段航天復(fù)合材料自動鋪帶成型的原材料需求;以圓筒形結(jié)構(gòu)件為對象，采用研制的JT300/605熱熔法預(yù)浸帶，基于自動鋪帶成型系統(tǒng)，開展自動鋪帶成型工藝，分別從鋪放角度范圍、鋪放質(zhì)量、鋪放效率、鋪放精度等方面對筒形結(jié)構(gòu)自動鋪帶工藝進行了分析研究及技術(shù)改進，顯著提高了預(yù)浸帶的鋪層精度和質(zhì)量一致性，預(yù)浸帶間隙或重疊≤ 1mm，鋪帶角度與理論鋪帶角度偏差≤ 0.2°;通過筒形結(jié)構(gòu)件的鋪放試驗研究，積累了自動鋪帶成型用大尺寸筒形結(jié)構(gòu)模具的設(shè)計經(jīng)驗，掌握了自動鋪帶成型用筒形結(jié)構(gòu)模具設(shè)計技術(shù)。在國內(nèi)首次實現(xiàn)了復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)的工程化應(yīng)用，研究成果已推廣應(yīng)用于多種航天產(chǎn)品的研制生產(chǎn)。

3 纖維纏繞技術(shù)

纖維濕法纏繞成型是實現(xiàn)復(fù)合材料“低成本、高性能”的重要手段之一，也是發(fā)展較早、技術(shù)相對成熟的復(fù)合材料自動化成型技術(shù)。在先進復(fù)合材料，尤其航天航空高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中應(yīng)用極為廣泛，占據(jù)相當(dāng)重要的地位，主要包括各類壓力容器、固體火箭發(fā)動機殼體、承力碳管、管道、貯罐、發(fā)電機葉片等。復(fù)合材料壓力容器已成為航空航天結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件之一，無論從結(jié)構(gòu)重量還是從所占據(jù)的幾何空間上看，都占有極高的比例，而其減重要求是制約著新一代先進發(fā)動機系統(tǒng)的研制和發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。如何設(shè)計和制備出輕量化的復(fù)合材料壓力容器，最大化地減輕系統(tǒng)的重量，是復(fù)合材料研究人員追求的目標(biāo)。世界發(fā)達國家均將發(fā)展輕量化復(fù)合材料壓力容器技術(shù)列為太空探索的關(guān)鍵技術(shù)之一，如美國NASA提出的新航空研究計劃(New Aeronautics Research Program)、2030年前的太空探索規(guī)劃(3rd Space Exploration Conference & Exhibit)、歐洲木星探索計劃等[9]。

航天材料及工藝研究所已經(jīng)開展了纖維濕法纏繞成型技術(shù)在航天結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用開發(fā)研究。基于航天環(huán)境對基體樹脂的特殊需求，改進了復(fù)合材料濕法纏繞樹脂的配方，開發(fā)了高韌性環(huán)氧樹脂體系C601;突破了高性能復(fù)合材料氣瓶的濕法纏繞成型技術(shù)，初步建立了復(fù)合材料壓力容器設(shè)計、制備、試驗和測試評價一體化的技術(shù)集成系統(tǒng)，有效地提高了復(fù)合材料氣瓶成型的設(shè)計制造能力，為輕量化復(fù)合材料壓力容器的可靠應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

目前，航天材料及工藝研究所形成了涵蓋多類內(nèi)襯(鋁合金內(nèi)襯、鈦合金內(nèi)襯等)、多類纖維(玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等)、多種結(jié)構(gòu)形式(柱形、球形、環(huán)形)的復(fù)合材料壓力容器研制能力，研制出了滿足設(shè)計要求的增壓系統(tǒng)用復(fù)合材料氣瓶結(jié)構(gòu)件，滿足新一代運載火箭系統(tǒng)輕量化的發(fā)展需要。

4 網(wǎng)格纏繞技術(shù)

復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)又稱為先進格柵增強結(jié)構(gòu)(AGS)，與已有的鋁合金格柵結(jié)構(gòu)相比，提高了結(jié)構(gòu)的比強度和比模量，大幅度提高了結(jié)構(gòu)效率，增加了有效載荷，同時增強了結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力，而且可以利用自動化制造方法降低成本，最為突出的是增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造的靈活性，已成為制造復(fù)合材料高性能結(jié)構(gòu)件的新途徑和新方法。

先進格柵增強結(jié)構(gòu)由于其突出的綜合性能優(yōu)勢而受到普遍重視,NASA Langley 研究中心的研究人員把先進格柵增強結(jié)構(gòu)技術(shù)列入未來航天結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的六大方向之一的低成本結(jié)構(gòu)技術(shù)之內(nèi);美國空間實驗室把AGS技術(shù)列為迎接未來空間系統(tǒng)技術(shù)挑戰(zhàn)的四大結(jié)構(gòu)技術(shù)之一, 并且指出了這項技術(shù)未來在航天器燃料儲箱、機身等大型復(fù)雜部件應(yīng)用的廣闊前景[10]。俄羅斯CRISMB 提出的應(yīng)用對象包括級間段、內(nèi)壓容器、有效載荷適配器、運載飛船整流罩、飛機中機身艙段、翼盒、直升機垂尾梁、空間望遠鏡鏡身以及建筑結(jié)構(gòu)等[11]。

目前，復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)一般采用手工鋪放成型工藝和濕法纏繞工藝。手工鋪放工藝需要加壓釜進行固化，故其產(chǎn)品空隙含量低，纖維體積含量易于控制，但生產(chǎn)成本較高，成型過程中纖維張力不宜控制;濕法纏繞工藝成型過程中樹脂含量不易控制，制件纖維體積含量低，成型過程中廢料率高，但成本低，尤其是纖維張力易控制。航天材料及工藝研究所基于復(fù)合材料網(wǎng)格纏繞成型系統(tǒng)，開展了回轉(zhuǎn)體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)干法預(yù)浸絲自動纏繞技術(shù)研究。根據(jù)柱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的特點，解決了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)小角度纏繞成型的問題;根據(jù)纏繞成型試驗的實際工況，對纏繞機張力系統(tǒng)及張力控制制度進行了技術(shù)改造和工藝優(yōu)化;初步實現(xiàn)了柱形艙段矩形和三角形網(wǎng)格的自動化纏繞成型，并對成型構(gòu)件的軸壓性能、筋條拉壓性能、網(wǎng)格筋條與蒙皮界面剪切性能、網(wǎng)格單元壓縮性能等進行了評價研究。

5 自動鋪絲技術(shù)

自動鋪絲技術(shù)(纖維鋪放技術(shù)或自動絲束鋪放成型技術(shù))是在纖維纏繞技術(shù)和自動鋪帶技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種獨特的復(fù)合材料全自動化成型技術(shù)。它融合了纖維纏繞成型中的預(yù)浸紗(窄帶)輸運技術(shù)和自動鋪帶成型中的壓力鋪放、切斷和重定位技術(shù)，使其具有更高的優(yōu)越性和適應(yīng)性。自動鋪絲技術(shù)克服了纏繞技術(shù)“周期性、穩(wěn)定性和不架橋”和自動鋪帶“自然路徑”的限制，可以實現(xiàn)連續(xù)變角度鋪放和變帶寬鋪放[12-13]。因此，自動鋪絲技術(shù)可用于復(fù)雜型面復(fù)合材料構(gòu)件的鋪放成型，并可以對鋪層進行裁剪以滿足局部加厚/ 混雜、鋪層遞減及開口鋪層等多方面的需要，其典型應(yīng)用構(gòu)件有整流罩、燃料儲箱、進氣道、機身等[14-18]。

目前，國內(nèi)自動鋪絲技術(shù)用材料體系、工藝應(yīng)用研究薄弱，尚未實現(xiàn)工程應(yīng)用。航天材料及工藝研究所、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、航空制造工程研究所等單位已在此領(lǐng)域開展了相關(guān)研究，并對鋪絲成型工藝進行了試驗研究[13,19-20]。

航天材料及工藝研究所以典型曲面結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件自動鋪絲成型為應(yīng)用對象，開展了熱熔法預(yù)浸絲直接浸漬制備技術(shù)研究和熱熔法預(yù)浸絲分切制備技術(shù)研究，突破了自動鋪絲用預(yù)浸絲分切技術(shù);聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)單位開展大型臥式自動鋪絲機研制及配套軟件開發(fā)，已完成了鋪絲機及關(guān)鍵部件鋪絲頭的設(shè)計工作。

結(jié)束語

新型航空航天器的先進性標(biāo)志之一是結(jié)構(gòu)的先進性, 而先進復(fù)合材料是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)先進性的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)技術(shù)。我國大型復(fù)合材料制造技術(shù)現(xiàn)狀嚴(yán)重制約了航天型號的順利研制，急需突破復(fù)合材料自動成型技術(shù)中的材料、裝備、工藝等方面的重大、關(guān)鍵、共性技術(shù)，提升我國復(fù)合材料設(shè)計制造水平。航天材料及工藝研究所以復(fù)合材料自動化成型技術(shù)的工程應(yīng)用為目標(biāo)，堅持自主創(chuàng)新，在復(fù)合材料自動化成型領(lǐng)域取得了階段研究成果，部分研究成果已在型號生產(chǎn)中工程應(yīng)用，初步形成了涵蓋自動下料與激光鋪層定位、自動鋪帶、纖維纏繞、網(wǎng)格纏繞和自動鋪絲等多種復(fù)合材料成型技術(shù)研究體系。

要以我國航天技術(shù)發(fā)展需求為牽引，以提高自身制造水平、工藝水平為目的，積極發(fā)展復(fù)合材料自動化和數(shù)字化制造技術(shù)，形成集設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)、成形工藝、性能表征和質(zhì)量控制技術(shù)一體化的復(fù)合材料技術(shù)體系，進一步提高大型復(fù)合材料構(gòu)件制造效率和質(zhì)量，推動超大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，為航天型號的研制提供有力的技術(shù)支撐，提高國產(chǎn)高性能材料技術(shù)自主保障能力。