飞行器结构用复合材料制造技术的应用及展望

2024年3月28日发(作者：分别的作文)

飞行器结构用复合材料制造技术的应用

及展望

摘要：由于复合材料中具有可设计性强，轻质高强，热稳定性好，比刚度，

比强度较高等特点，在飞行器结构制造技术中广泛应用。在衡量飞行器先进程度

中复合材料的应用起到重要的技术指标作用。本文主要讲解飞行器结构用复合材

料制造技术应用以及展望。

关键词：飞行器；结构；复合材料；制造技术；展望

在飞行器结构制造过程中复合材料的应用越来越广泛，已经成为飞行器制造

技术发展的重要研究方向

[1]

。由于飞行器在制造中对性能具有较高的要求，因此，

先进复合材料在航空工业中得到了广泛应用，这种情况也促进了复合材料的进一

步发展。新一代飞行器的发展目标为“轻质化、长寿命、高效能、高可靠、高突

防、高隐身、低成本”。在复合材料中存在抗疲劳、可设计、轻质、高强、容易

实现功能与结构一体化的特点，因此，飞行器结构中先进复合材料的用量也可以

用来衡量飞行器的先进程度。

1 飞行器结构应用复合材料制造技术的发展历程

早在20世纪60年代中期，在飞行器结构中已经开始应用先进复合材料了，

这些年来，在飞行器结构中复合材料的应用经过由次到主、由小到大，从局部到

整体，从结构到功能的发展过程

[2]

。在第一个阶段中，主要在飞行器的受力比较

小的地方应用复合材料，比如口盖、舱门、方向舵、整流罩等。在第二阶段，在

飞行器的平尾、垂尾等一级承力位置应用复合材料。在第三阶段中，在飞行器的

机身、机翼等主要承力结构也开始应用复合材料。复合材料具有较强的减重作用，

具有较强的整体成形技术，能够降低连接，进而提高气动性能以及结构可靠性。

目前，世界上军用飞机中复合材料的重量达到整体的20%到50%，几乎大部分机

构使用复合材料制造。特别在无人机中，为了满足其生存力、机动性能、隐身性

能等要求，需要尽量减少结构重量，增加燃油的装载量，因此，大量应用复合材

料。

2 在飞行器结构中应用复合材料制造技术的应用问题

目前，在飞行器结构中大量应用复合材料，可以更好地满足航天航空的需要。

但是为了进一步发展，在其他材料中脱颖而出，需要解决应用中存在的问题

[3]

。

（1）减重的效率需要进一步提高，造成减重效率较低的原因主要为设计不够合

理，材料性能的稳定性不够强，检测可靠性不够高。（2）还需要进一步降低成

本。在飞行器结构中应用的复合材料由于验证分析实验、制造工艺，加强纤维材

料等多种原因导致造价成本较高。（3）需要深化研究制造的自动化程度以及材

料高性能化。虽然近几年自动铺放技术发展较快，但是由于飞行器复合材料制造

工艺比较复杂，在不同类型结构件以及单个构造结构制造过程中自动化的普适性

较低，导致自动化程度较低，需要进一步改进，进而提高生产效率。

3 在飞行器结构中复合材料制造技术应用

3.1数字化制造技术

在飞行器结构中应用的复合材料在制造中具有非常特殊以及复杂的制造技术。

在传统复合材料结构设计中使用大量试验的方法，需要耗费大量精力、成本，研

发周期较长

[4]

。为了提高研发效率，因此，将复合材料制造技术从实验为主转变

为计算机模拟分析为主，尽量减少实验，减少周期，进而降低成本。使用数字化

制造技术，可以缩短制造时间，在制造中主要在计算机软件中分为初步设计阶段，

详细设计阶段，最终设计阶段，加工输出阶段。通过数字化制造技术，可以提高

定位精度，加强产品加工质量以及劳动生产效率，优化排料技术，降低成本。使

用数字化制造技术，还可以使用安全系统加权的方法保证材料的可靠性，降低制

造过程中受到的不确定性的影响，提高结构设计的可靠性。

3.2液体成型技术

在复合材料的制造中基体、增强体是重要的组成部分。在复合材料发展中原

材料的发展是基础。在复合材料制造技术中广泛应用碳纤维、超高分子量聚乙烯

纤维、聚芳香族酰胺纤维、聚苯并噁唑纤维等高性能材料。在基体中一般应用树

脂系材料，具有较强的耐温性能。热塑性树脂在航天航空中应用广泛。主要由于

具有较强的抗冲击韧性，耐疲劳损伤性能，生产效率高，成形周期短，纤维预浸

料时，不需要低温。可能重复加工，复旧的制品还可以再生利用，在设计中具有

较大的自由度，成形的适应性较广。在制造时使用液体成型技术，在纤维制品放

入到模具中，通过外加真空辅助条件或者注入压力，将液态低粘度的树脂放入模

具中，将气体排出，制造形成预制件。通过浸润后，在模具中通过内热引发交联

反应形成固化。通过液体成型技术可以提高复合材料结构的均匀性，抗冲刷性，

表面平整性等。

3.3全自动化与低成本制造技术

在飞行器中应用复合材料量逐渐增多，但是制造成本较高，自动化水平较低，

无法满足飞行器应用的需求

[5]

。通过降低制造成本，可以提高复合材料的性价比。

世界上发达国家都制定复合材料的低成本制造技术的发展计划。在复合材料制造

技术中通过自动铺带技术以及自动铺丝技术，可以达到低成本，高效率的作用。

在复杂的大尺寸结构制造中适合应用，还可能降低装配以及制造的成本，减低拼

接零件数量。使用一体化协同设计技术，在复合材料构件中可以无缝集成制造三

维模型，降低铺设方向，铺层尺寸的不确定性，提高结构的制造质量。在制造中

应用复合材料非热压罐成型技术，可以在保持材料制造结构以及性能良好的同时，

减少固化中对能耗以及设备的要求，降低复合材料生产的成本。在非热压罐成型

技术中要求湿态玻璃化转变温度、力学性能、孔隙率等达到指标。另外在研究中

还包括树脂传递膜塑成型工艺、真空灌注成型工艺、树脂膜熔化成型工艺等。

4 在飞行器结构中应用复合材料制造技术应用的展望

在飞行器结构中复合材料制造技术需要进一步发展，提高核心竞争力，充分

参考新型材料应用情况，进而提高复合材料的制造技术水平。在碳纳米管材料中

具有较高的强度，韧性，模量，弹性模量达到1TPa,拉伸强度较高，断裂伸长率

达到15%到30%。在碳纳米管刚出现时，主要在胶黏剂、改性树脂基体中应用。

之后在多尺度混杂复合材料中应用，但是添加量不能超过10%。随着碳纳米管膜

以及纱线的出现，在复合材料中碳纳米管的含量逐渐增加，达到40%都60%，还

有进一步发展的空间。在飞行器结构中复合材料制造技术需要进一步降低成本，

提高自动化，提高重效率，增强复合材料的竞争力。

5 结语

在飞行器结构中复合材料的应用量不断增加，在材料-设计-制造-评价中整

体水平不断提高，但是还需要突破低成本，高可靠、高效能的要求。通过不断深

化研究，分析，不断提高复合材料的质量，达到新一代飞行器的“轻质化、长寿

命、高效能、高可靠、高突防、高隐身、低成本”的目标。

参考文献：

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[4] 蒋贵刚,孙天峰,陈静,等. 先进复合材料网格结构制备工艺及关键技术

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//第十一届先进成型与材料加工技术国际研讨会论文集. 2014:25-30.