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行业分析

加快国产民机材料创新
来源:大飞机报  2015-10-23 16:32:22
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2156
  
复合材料制造中的自动铺丝设备

  随着科学技术的发展,现代飞机相关的各类技术也随之不断进步。对于大型客机而言,航空公司对飞机的安全性、经济性、舒适性和环保性等方面的要求在不断提高,航空工业也在尽可能地压缩制造每一架飞机的时间成本。在这样的背景下,传统的材料已经不能再满足航空业的要求,经过研究与创新,航空人开始利用复合材料来设计与制造飞机。如今,与电传操纵或飞机上的其他部分的发展历程类似,复合材料的应用率也逐步在一代代的飞机上增大。
  当前,复合材料用量占飞机机体结构的比例无疑已成为衡量飞机先进性的重要指标。上月在镇江举行的第一届民用飞机复合材料技术国际论坛上,来自中国工程院、中国商飞公司、中国航空工业集团公司、中国航天科工集团公司等10家国内单位和来自加拿大庞巴迪、英国吉凯恩、德国氰特等9家国外知名企业院士、专家、学者等近百位业内人士齐聚一堂,围绕“低成本复合材料技术在宽体客机上的应用”主题,立足“材料-设计-分析-工艺-检测-维护”等议题展开多维度、全方位、深层次的技术研讨。
 
  从0到53%的飞跃
  与传统飞机上使用的铝合金材料相比,复合材料不仅重量轻、强度好、劲度高,还耐热、耐腐蚀,同时又有很好的抗疲劳性。然而,在复合材料刚引入航空工业界时,由于对其特性缺乏了解及信心,最初只限用于整流罩等非承力结构件。
  先进复合材料的发展,始于20世纪60年代对纤维丝及层合板的研究,当时美国不遗余力地对复合材料结构零件的设计与制造进行大力研发。由于其优异的减重性能,复合材料开始用于飞机的次承力结构上。到了20世纪90年代,复合材料已能与金属结构件相互搭配用于主承力结构件上,但仅限于小尺寸结构。这是因为制造大型复合材料结构件所需的大型热压罐成本非常昂贵,在成本因素考虑下,复合材料一直无法大量应用于航空工业界。
  空客是首家在大型民用飞机上广泛采用复合材料的飞机制造商,率先使用碳纤维增强型复合材料替代金属材料。与传统的飞机材料相比,碳纤维增强型复合材料有强度高、质量轻、抗腐蚀和具有超级耐久性等优势。对于航空公司,这意味着一架高性能的飞机,重量轻,有较低的维护和使用成本。
  A310采用了复合材料垂尾盒,这款飞机的复合材料用量不到5%。之后的A320则采用了全复合材料尾翼。A380的中央翼盒主要由碳纤维增强型复合材料制造,比铝合金可以减轻1.5吨的重量。
  A350XWB是迄今为止被认为复合材料用量占全机结构重量比例最大的一种客机,其复合材料结构重量占全机结构重量53%,超过了波音787复合材料结构重量比例的50%,并且第一次实现了复合材料的用量超过了金属材料。
 
  提升复合材料利用率
  新材料的开发并不是一件容易的事情。据德国氰特工业公司航空航天材料分部业务发展战略总裁兰斯·帕索(Lance Parcel)介绍,一种新材料完成研发、生产、应用全过程可能需要10年时间,花费1.5亿美元。如今,经过几十年的发展,复合材料的制造工艺愈发成熟,在飞机上的应用也日益广泛。
  数据显示,复合材料的应用具有可使飞机结构减重10%至40%,结构设计成本降低15%至30% 。但高成本一直是阻碍复合材料大量应用于飞机上的原因之一。近些年,制造商们也开发了不少缩短复合材料生产周期、降低成本的先进技术。
  据庞巴迪宇航公司工程副总裁科林·艾略特(Colin Elliott)介绍,庞巴迪C系列机翼的整体加筋壁板、翼梁制造采用了树脂注入工艺的新型复合材料结构技术。在他看来,庞巴迪当前的树脂转移注入工艺(Resin Transfer Infusion,RTI)已接近FAA/EASA的适航认证要求。
  当飞机产量大或要求制造精度高时,在复合材料制造工艺方面就更加需要自动化设备进入生产车间进行铺层、切削加工、钻孔及在生产线上进行检验。赫氏复材公司的勒南·福尼尔勒雷(Renan Fournier-Leray)表示,赫氏公司在研发树脂材料的同时,也不断改进其预浸料适应自动化生产需求,如自动铺带工艺(Automated Tape Laying,ATL)和自动铺丝工艺(Automated Fiber Placement,AFP),降低生产成本。英国GKN 航空航天公司工程副总裁安德鲁·克拉克(Andrew Clarke)博士认为在飞机设计制造之初,就应当将材料制造工艺的自动化考虑在内,这样将更有利于飞机生产速率的提升。
 
  让科研成果“走出去”
  实际上,我国复合材料的研制水平与发达国家相比差距还很大。北京大学工学院力学与工程科学系的研究员段慧玲分析,中国进行复合材料科学研究的时间还比较短,尽管一直在加速,但仍需要一个过程去赶上发达国家。同时,在复合材料研制的管理上还存在很多问题,很多材料基础研究的成果没有从实验室里“走出来”,无法实现产业化。然而,一个产品从科研阶段到实现产业化有很长的一段路要走。
  段慧玲还指出,当前我国复合材料研制水平较低与我国制造业的落后与制造工艺水平低也有很大关系,但是要坚信,经过努力,会逐渐消除这个差距,实现从“中国制造”到“中国创造”的转变。
  事实上,国产大飞机C919的研制无疑带动了我国碳纤维复合材料的发展。据了解,即将总装下线的C919大型客机在复合材料研发、制造工艺、试验验证等方面开展了攻关,取得了不少突破性进展。
  对于飞机运营商而言,复合材料的好处是飞机在运营期间不会有腐蚀和疲劳损伤等情况,但若受到外物撞击,比如鸟撞,除了目视检查外,还需进行额外的详细无损评估,如采用超声波/共振方法,并根据评估结果开展必要的修理。
  中国商飞上海飞机设计研究院副院长、C919项目行政指挥韩克岑认为,复合材料在国产大飞机上用量的提升很大程度上依赖我国相关行业、专业的发展进步,不仅是结构,电子、机械行业,还包括后续使用过程中的航材派遣、修理、维护工作,需要从设计制造到修理维护形成一个完整的产业支持体系。 文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2156