先進復合材料因其性能優(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)領域得到廣泛應用。因復合材料構件的結(jié)構形式、服役載荷和使用環(huán)境復雜，微小的缺陷經(jīng)跨層次的蔓延生長可導致構件的失效，故其安全性和可靠性是其應用中首要考慮的內(nèi)容[1]。為提高復合材料構件質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，減少人為因素的影響，復合材料成型自動化是復合材料成型技術發(fā)展的必然趨勢。

       復合材料自動化成型技術及應用

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

目前為止，國外復合材料自動化成型技術已經(jīng)相當成熟。以自動鋪放技術為例，已在多種航空航天器的各種結(jié)構件上得到應用，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)復合材料自動化成型技術發(fā)展較晚，航天材料及工藝研究所積極推動復合材料自動化成型技術在國內(nèi)的應用與發(fā)展，在激光鋪層定位、自動鋪帶、纖維纏繞、自動鋪絲等技術的工程應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用。

航天復合材料自動化成型關鍵技術

1 自動下料與激光鋪層定位技術

目前，手工鋪層仍被廣泛使用，尤其適合一些復雜型面的小型構件成型，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)等方面的技術優(yōu)勢，是手工鋪層技術的研究熱點。

航天材料及工藝研究將復合材料自動下料與激光鋪層定位技術引進到復合材料手工成型過程中，通過對數(shù)控下料機、激光投影設備以及輔助設計制造軟件的綜合運用，實現(xiàn)了復合材料構件數(shù)字化輔助人工鋪放。采用復合材料構件設計制造軟件將構件的三維實體數(shù)模展開生成鋪層排料的二維數(shù)據(jù)，生成復合材料構件各鋪層的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確定位。

采用自動下料和激光鋪層定位技術輔助進行手工鋪層技術，下料準確度顯著提高，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

隨著復合材料構件在航空航天器上的大量應用，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，難以適應大批量生產(chǎn)和大型復雜復合材料制件的生產(chǎn)要求。自動鋪帶應運而生，作為手工帶鋪放的替代，其采用自動控制技術實現(xiàn)預浸帶的定位、鋪放、壓實、剪裁等功能，尤其適合小曲率曲面構件( 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)構復合材料構件為目標開展了自動鋪帶技術工程應用研究。突破了高性能干法預浸料制備技術，研制出了適于自動鋪帶使用的預浸料JT300/605，其性能如表1所示，實現(xiàn)了自動鋪帶用預浸料的批量生產(chǎn);突破了預浸料分切技術(見圖1)，形成了各種幅寬的自動鋪帶用預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)階段航天復合材料自動鋪帶成型的原材料需求;以圓筒形結(jié)構件為對象，采用研制的JT300/605熱熔法預浸帶，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)構自動鋪帶工藝進行了分析研究及技術改進，顯著提高了預浸帶的鋪層精度和質(zhì)量一致性，預浸帶間隙或重疊≤ 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)構模具的設計經(jīng)驗，掌握了自動鋪帶成型用筒形結(jié)構模具設計技術。在國內(nèi)首次實現(xiàn)了復合材料自動鋪帶技術的工程化應用，研究成果已推廣應用于多種航天產(chǎn)品的研制生產(chǎn)。

3 纖維纏繞技術

纖維濕法纏繞成型是實現(xiàn)復合材料“低成本、高性能”的重要手段之一，也是發(fā)展較早、技術相對成熟的復合材料自動化成型技術。在先進復合材料，尤其航天航空高性能復合材料結(jié)構制造中應用極為廣泛，占據(jù)相當重要的地位，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。復合材料壓力容器已成為航空航天結(jié)構動力系統(tǒng)的關鍵組成部件之一，無論從結(jié)構重量還是從所占據(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)展的技術瓶頸之一。如何設計和制備出輕量化的復合材料壓力容器，最大化地減輕系統(tǒng)的重量，是復合材料研究人員追求的目標。世界發(fā)達國家均將發(fā)展輕量化復合材料壓力容器技術列為太空探索的關鍵技術之一，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在航天結(jié)構件的應用開發(fā)研究?；诤教飙h(huán)境對基體樹脂的特殊需求，改進了復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;突破了高性能復合材料氣瓶的濕法纏繞成型技術，初步建立了復合材料壓力容器設計、制備、試驗和測試評價一體化的技術集成系統(tǒng)，有效地提高了復合材料氣瓶成型的設計制造能力，為輕量化復合材料壓力容器的可靠應用提供了技術保障。

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)構形式(柱形、球形、環(huán)形)的復合材料壓力容器研制能力，研制出了滿足設計要求的增壓系統(tǒng)用復合材料氣瓶結(jié)構件，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

復合材料網(wǎng)格結(jié)構又稱為先進格柵增強結(jié)構(AGS)，與已有的鋁合金格柵結(jié)構相比，提高了結(jié)構的比強度和比模量，大幅度提高了結(jié)構效率，增加了有效載荷，同時增強了結(jié)構的抗腐蝕能力，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)構設計、制造的靈活性，已成為制造復合材料高性能結(jié)構件的新途徑和新方法。

先進格柵增強結(jié)構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)構技術列入未來航天結(jié)構技術發(fā)展的六大方向之一的低成本結(jié)構技術之內(nèi);美國空間實驗室把AGS技術列為迎接未來空間系統(tǒng)技術挑戰(zhàn)的四大結(jié)構技術之一, 并且指出了這項技術未來在航天器燃料儲箱、機身等大型復雜部件應用的廣闊前景[10]。俄羅斯CRISMB 提出的應用對象包括級間段、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)構等[11]。

目前，復合材料網(wǎng)格結(jié)構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)構干法預浸絲自動纏繞技術研究。根據(jù)柱形網(wǎng)格結(jié)構的特點，解決了網(wǎng)格結(jié)構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

自動鋪絲技術(纖維鋪放技術或自動絲束鋪放成型技術)是在纖維纏繞技術和自動鋪帶技術的基礎上發(fā)展起來的一種獨特的復合材料全自動化成型技術。它融合了纖維纏繞成型中的預浸紗(窄帶)輸運技術和自動鋪帶成型中的壓力鋪放、切斷和重定位技術，使其具有更高的優(yōu)越性和適應性。自動鋪絲技術克服了纏繞技術“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，自動鋪絲技術可用于復雜型面復合材料構件的鋪放成型，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，其典型應用構件有整流罩、燃料儲箱、進氣道、機身等[14-18]。

目前，國內(nèi)自動鋪絲技術用材料體系、工藝應用研究薄弱，尚未實現(xiàn)工程應用。航天材料及工藝研究所、南京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學、航空制造工程研究所等單位已在此領域開展了相關研究，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)構復合材料構件自動鋪絲成型為應用對象，開展了熱熔法預浸絲直接浸漬制備技術研究和熱熔法預浸絲分切制備技術研究，突破了自動鋪絲用預浸絲分切技術;聯(lián)合國內(nèi)相關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鍵部件鋪絲頭的設計工作。

結(jié)束語

新型航空航天器的先進性標志之一是結(jié)構的先進性, 而先進復合材料是實現(xiàn)結(jié)構先進性的重要物質(zhì)基礎和先導技術。我國大型復合材料制造技術現(xiàn)狀嚴重制約了航天型號的順利研制，急需突破復合材料自動成型技術中的材料、裝備、工藝等方面的重大、關鍵、共性技術，提升我國復合材料設計制造水平。航天材料及工藝研究所以復合材料自動化成型技術的工程應用為目標，堅持自主創(chuàng)新，在復合材料自動化成型領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合材料成型技術研究體系。

要以我國航天技術發(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)展復合材料自動化和數(shù)字化制造技術，形成集設計技術、材料技術、成形工藝、性能表征和質(zhì)量控制技術一體化的復合材料技術體系，進一步提高大型復合材料構件制造效率和質(zhì)量，推動超大型復合材料結(jié)構在航天領域的應用推廣，為航天型號的研制提供有力的技術支撐，提高國產(chǎn)高性能材料技術自主保障能力。