关于先进复合材料制造体系的几点思考

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1、ThoughtsontheManufacturingSystemofAdvancedComposites中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司蒲永伟研究员级高级工程师，中航工业复合材料构件制造技术首席技术专家。现任中航工业沈飞复合材料制造中心主任业务经理兼副主任。{基金项目：国家重点基础研究规划(973)课题(2014CB046502)。26航窄制造技术·2014年第15期本文基于作者在复合材料构件制造领域多年来郇论与实践积累，首次从系统学的角度提出了复合材料铜体系的新概念，指出该体系由外部环境、限制条件和匍环境等共同组

2、成，并分别给出了三者的定义，指出在复材料产品的成型过程中。三者相互影响、相互制约，制造系对产品质量的影响是三者共同作用的结果。新一代先进复合材料被广泛应用于现代航空航天复杂承力构件的制造。先进复合材料诞生于20世纪60年代末，因其具有高比强度、高比模量、耐热、耐腐蚀、耐疲劳、隐身性好等独特性能而在航空、航天、汽车、兵器、电子、建筑、医疗等领域得到广泛应用。复合材料的研究水平和应用程度是一个国家科技发展水平的重要体现，尤其在航!各种先进的飞机无不与先进材料技术紧密联系在一起，合材料在飞机上的应用水平代飞机的先进性标志之一

3、，复合材料技术成为一项具有义的关键技术”‘2】。杜善义对中国大飞机项目的论证过出，复合材料技术是我国大飞0窍的关键技术之一『3l。大型飞机应用先进复合材料的历史始于20世纪70年代初，从第一代民用飞机B707的复合材料使用量为0，到现在的波音B787复合材料使用量为50％、空客A380的复合材料用量为22％及最新设计的A350XWB复合材料用量达到了52％的趋势来看，对性能和重量要求越来越高的大型客机而言，复合材料应用量将不断增大，其使用量已经成为衡量大型客机先进性的重要标准HJ。在复合材料制件制造过程中，由于环境、原

4、材料缺陷、工艺规范和结构设计不合理等因素会产生各种缺陷。制造缺陷的存在严重影响了复合材料制件的性能和使用寿命，甚至还会导致制件的报废，造成重大经济损失。因此，制造缺陷的控制技术是目前先进复合材料成型工艺领域的重要研究内容。已有对复合材料制造过程的研究往往侧重于整个制造体系的某一个环节开展，如研究复合材料构件热压罐成型温度场规律”I、复合材料构件热压罐成型变形预测及工装型面补偿技术16】、复合材料构件的质量检测『7I等，缺乏对其制造过程涉及环节的系统考虑，从而难以对整个制造过程进行科学合理的规划，难以实现整个制造过程的最

5、优，本文基于作者在复合材料构件制造领域多年来的理论与实践积累，首次从系统学的角度提出了复合材料制造体系的新概念，指出该体系由外部环境、限制条件和制造环境等共同组成，并分别给出了三者的定义，指出在复合材料产品的成型过程中，三者相互影响、相互制约，制造体系对产品质量的影响是三者共同作用的结果。先进复合材料制造体系的定义先进复合材料构件的成型过程是产品制造工艺环境与材料自适应反应的协同以达到成型、成性的过程，整个过程受到诸多因素的影响。传统的复合材料构件制造往往偏重于材料性能生成的研究，即从材料学的角度来探究制造环境与材料成

6、型质量的关系，忽略了由材料向构件转变的制造过程中，形成构件结构特征所需限制条件的存在对由外部环境传递到构件表面真实制造环境的影响，或者将由实现构件结构特征高性能精确成型所需的制造环境与简单针对材料性能演变所需1二艺环境等同，没有考虑限制条件导致的外部环境向制造环境的非均匀传递问题。由上所述，先进复合材料构件的制造是一个包含了外部环境、限制条件和制造环境的复杂制造体系(图1)。这里的外部环境是指由设备等外界条件提供的用以满足复合材料成型的温度、压力、真空等条件的外部环境；限制条件是指为了满足构件外形尺寸、内部质量和相对位

7、置等要求，在产品成型过程中设置的人为边界条件；制造环境指在外部环境和限制条件下的T艺边界和_丁艺参数的总和。在先进复合材料制造体系中，外部环境通过限制条件传递给制造环境=，外部环境本身具有相对均匀性，而当外部环境将热、压等重要的制造条件通过复杂且非均匀的限制条件传递给制造环境时，会导致制造环境本身的非均匀性，从而在时空场中形成温度场、压力场等多个非均匀场叠加耦合的制造环境。在复合材料产品的成型过程中，三者互相影响、相互制约。协调好三者的关系，形成先进复合材料均衡制造体系，是实现无缺陷制造的基础。图1制造体系结构图外部环

8、境是先进复合材料制造的前提在复合材料构件的制造过程中，外部条件是固定因素，本身是一个近似均匀的体系，因此．相对于非均匀的限制条件和制造环境而言，外部环境被看作一个稳态量，并不直接影响复合材料的产品质量。复合材料成型过程中的制造环境为温度场、压力场等多场耦合，要实现复合材料的均衡制造体系，必须形成制造环境的均衡体系。在这个体系中，我