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1、上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司复合材料工艺在大飞机和民机复合材料工艺在大飞机和民机领域发展现状领域发展现状教师：刘卫平教师：刘卫平 博士博士上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司目录1、复合材料在飞机上的应用2、复合材料及其特点3、传统复合材料制造技术4、复合材料制造技术发展趋势8、总结7、6、复合材料制造的过程控制5、复合材料典型结构制造案例复合材料缺陷及结构检测技术上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司目录1、复合材料在飞机上的应用2、复合材料及其特点3、传统复合材料制造技术4、复合材料制造技术发展趋势8、总结7、6、复合材料制造的过程控制5、复合材料典型结构制造案例复合材料
2、缺陷及结构检测技术上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司复合材料在飞机上的应用复合材料在飞机上的应用上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司A350A340波音波音777A380波音波音787A350： B787： A380：A340： B777：B757： B767：1970 1980 1990 2000 20101970 1980 1990 2000 20100%10%20%30%40%50%波音波音757/76752% 50% 25%14% 11%4% 4% 复合材料用量复合材料用量年 份年 份复合材料在商用飞机上的应用复合材料在商用飞机上的应用上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司
3、上地板梁复合材料在复合材料在A380A380上的应用上的应用上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司复合材料在复合材料在B787B787上的应用上的应用上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司波音公司复合材料结构工业化波音公司复合材料结构工业化上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司波音波音- -空客商用飞机复合材料空客商用飞机复合材料- -用量和数量趋势（用量和数量趋势（20122012）飞机飞机每年产量每年产量 每架飞机复材重每架飞机复材重 量，吨量，吨总重量，吨总重量，吨7778010800787112606，72038045351，575350116606，96032040083，20
4、0总计19，2552012 全球碳纤维的产量在全球碳纤维的产量在45000吨左右吨左右上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司复合材料在复合材料在C919C919上的应用上的应用上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司目录1、复合材料在飞机上的应用2、复合材料及其特点3、传统复合材料制造技术4、复合材料制造技术发展趋势8、总结7、6、复合材料制造的过程控制5、复合材料典型结构制造案例复合材料缺陷及结构检测技术上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体多相固体材料材料连续相连续相分散
5、相分散相基体基体增强材料增强材料金属基金属基无机非金属基（陶瓷基、碳基）无机非金属基（陶瓷基、碳基）聚合物基聚合物基热塑性树脂基热塑性树脂基热固性树脂基热固性树脂基（粘接、传力）（承力）玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维有机纤维有机纤维金属纤维金属纤维陶瓷纤维陶瓷纤维纤维增强纤维增强颗粒增强颗粒增强片状增强片状增强晶须增强晶须增强复合材料定义复合材料定义先进复合材料先进复合材料 Advanced Composites上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司复合材料是一种结构复合材料是一种结构稻草泥土结构稻草泥土结构钢筋水泥结构钢筋水泥结构单向预浸料带单向预浸料带多层预浸料铺叠多层预浸料铺叠单向预浸料
6、显微镜照片单向预浸料显微镜照片多层预浸料显微镜照片多层预浸料显微镜照片上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司增强材料增强材料- -碳纤维碳纤维应变应变应 力应 力纤维、树脂和复合材料应力纤维、树脂和复合材料应力-应变关系应变关系不同纤维的应力不同纤维的应力-应变关系应变关系E1= EfVf+ EmVm，l/E2= Vf/Ef+(1-Vf)/Em混合定律混合定律E1 EfVfE2 Em/Vm上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司增强材料增强材料不同丝束的碳纤维不同丝束的碳纤维上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司基基体体材材料料热固性树脂热固性树脂热塑性树脂热塑性树脂环氧树脂环氧树脂双马来
7、酰亚胺树脂双马来酰亚胺树脂酚醛树脂酚醛树脂热塑性聚酰亚胺热塑性聚酰亚胺PEEKPEEKPPSPPS不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂氰酸酯树脂氰酸酯树脂聚酰胺树脂聚酰胺树脂上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司热固性树脂热固性树脂热塑性树脂热塑性树脂上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司树脂膜法树脂膜法预浸料制备预浸料制备上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司预浸料预浸料单向预浸料单向预浸料单向预浸料单向预浸料织物预浸料织物预浸料上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司复合材复合材 料特点料特点比强度、 比模量 高耐疲劳 性能好多功能 性后续维 修成本 低整体成 型可设计 性好复合材料特点复合
8、材料特点上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司材料的比强度和比模量材料的比强度和比模量上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司纤维复合材料的一个突出特点是纤维复合材料的一个突出特点是各向各向异性异性，与之相关的是性能的可设计性。，与之相关的是性能的可设计性。可设计性强可设计性强- -复合材料力学复合材料力学1 1 先进复合材料及其特点先进复合材料及其特点上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司波音波音787787维修费用在服役数年后依旧恒定维修费用在服役数年后依旧恒定 ，而传统铝结构飞机维修成本大幅上升，而传统铝结构飞机维修成本大幅上升抗疲劳抗疲劳、耐腐蚀耐腐蚀1 1 先进复合材料及其特点先
9、进复合材料及其特点上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司采用复合材料共固化、共胶采用复合材料共固化、共胶 接或液体成型工艺可整体成接或液体成型工艺可整体成 型大尺寸制件，减少连接、型大尺寸制件，减少连接、 装配成本，降低制造成本。装配成本，降低制造成本。适合大尺寸整体成型适合大尺寸整体成型1 1 先进复合材料及其特点先进复合材料及其特点上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司民民 机机 发发 展展 目目 标标安全性安全性抗疲劳抗疲劳可设计可设计耐腐蚀耐腐蚀高比强高比强经济性经济性舒适性舒适性环保性环保性先先 进进 复复 合合 材材 料料轻量化轻量化高可靠高可靠长寿命长寿命高效能高效能上海飞机
10、制造有限公司上海飞机制造有限公司设计难度大设计难度大使用温度限制使用温度限制生产效率低生产效率低 成本高成本高复合材料构件成本复合材料构件成本3030来自原材料，来自原材料，7070来自加工工艺来自加工工艺1 1 先进复合材料及其特点先进复合材料及其特点应用限制应用限制上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司目录1、复合材料在飞机上的应用2、复合材料及其特点3、传统复合材料制造技术4、复合材料制造技术发展趋势8、总结7、6、复合材料制造的过程控制5、复合材料典型结构制造案例复合材料缺陷及结构检测技术上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司复复 合合 材材 料料 制制 造造 工工 艺艺预浸料预浸
11、料 （丝束）（丝束） （带）（带）真空袋热压罐真空袋热压罐模压模压缠绕缠绕拉挤拉挤液体成型液体成型手糊成型工艺手糊成型工艺复合材料制造工艺方法复合材料制造工艺方法上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司材料入厂材料入厂材料入厂材料入厂入厂复验入厂复验入厂复验入厂复验裁剪裁剪裁剪裁剪铺贴铺贴铺贴铺贴蒙皮、长桁、缘条的预成型及蒙皮、长桁、缘条的预成型及组合组合蒙皮、长桁、缘条的预成型及蒙皮、长桁、缘条的预成型及组合组合目视检查目视检查目视检查目视检查固化固化固化固化检验固化参数检验固化参数检验固化参数检验固化参数脱模脱模脱模脱模预浸料真空袋热压罐工艺过程预浸料真空袋热压罐工艺过程上海飞机制造有限公
12、司上海飞机制造有限公司目视检查目视检查目视检查目视检查柔性模具柔性模具+ + 切割切割柔性模具柔性模具+ + 切割切割随炉试片检测随炉试片检测随炉试片检测随炉试片检测目视检查和尺寸检测目视检查和尺寸检测目视检查和尺寸检测目视检查和尺寸检测无损检测无损检测无损检测无损检测喷漆喷漆喷漆喷漆终检终检终检终检3 3 先进复合材料的成型工艺先进复合材料的成型工艺预浸料真空袋热压罐工艺过程预浸料真空袋热压罐工艺过程上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司预浸料裁剪预浸料裁剪单向带预浸料织物带预浸料预浸料叠层板手工下料自动裁床 手工下料主要 使用下料样板； 自动裁床可以 将曲面展开上海飞机制造有限公司上海飞
13、机制造有限公司铺叠铺叠手工铺叠激光投影定位铺叠 预浸料要对准位置、纤维方向 沿一个方向逐步放下，避免裹入 空气，形成气泡，纤维屈曲等 避免裹入杂物如塑料膜、纸等 铺3-5层预压实一次，排除空气上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司组合组合 最关键工序，特别是复杂 零件 采用系统检漏，一定保证 真空袋不漏气 真空袋及其它辅助材料不 架桥 要保护好真空袋不被刺破上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司工艺特点：工艺特点： 适合成型大型复杂构件； 适合成型高性能复合材料 设备成本高 生产效率低工艺过程：工艺过程：利用热压罐内部的高温压缩 气体产生压力对复合材料坯料进行加热 、加压以完成固化成型的方
14、法3 3 先进复合材料的成型工艺先进复合材料的成型工艺温度温度 ()压力压力 (MPa)601800.140.6真空袋内至少达到真空袋内至少达到0.074MPa（22in.Hg）的真空压力，热压罐加压）的真空压力，热压罐加压当压力达到当压力达到0.14MPa时将真空袋与大气连通，保持连通状态直至固化完成时将真空袋与大气连通，保持连通状态直至固化完成热压罐达到全压后再加热热压罐达到全压后再加热时时 间间升温速率升温速率 见见7.7.1 a降温速率降温速率 0-3/min时间轴不按比例时间轴不按比例00MPa05. 0 06 . 0 在在1806温度中保温至少温度中保温至少120min温度降至温度
15、降至60 降压开罐降压开罐固化固化工艺参数：工艺参数： 温度：加速化学反应，固化 真空：排除空气和挥发小分子 压力：使预浸料坯料压实致密 时间：大约8小时目前发展趋势：目前发展趋势：固化工艺曲线简单化固化工艺曲线简单化 ，傻瓜工艺；就两个，傻瓜工艺；就两个，250 F 和和350F， 材料供应商来满足要求材料供应商来满足要求上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司优点：优点：低成本、高效、适合于复杂结构或大尺寸复合材料制品的成型；缺点：缺点：干纤维预定型困难；制品纤维含量较低；树脂对纤维的浸渍不够理想，树脂流动有效预测和控制很困难,容易出现干纤维现象。液体成型（液体成型（LCM）工艺）工艺3
16、3 先进复合材料的成型工艺先进复合材料的成型工艺RTMVARIRFI复合材料液体成型工艺液体成型工艺（Liquid Composites Molding，简称LCM 工艺），是树脂传递模塑树脂传递模塑（RTM，resin transfer molding）、真 空辅助树脂渗透（VARI，Vacuum Assisted Resin Infusion）、 树脂膜熔渗工艺（RFI，resin film infusion）等一类复合材料成型 工艺的总称。LCM上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司工艺过程：工艺过程：将预成型体铺放在模腔中，通过注射口 将树脂注入模腔，依靠带压树脂的流动 浸润纤维，并排除模腔中的气体。工艺特点：工艺特点： 非热压罐固化 尺寸稳定性好 成型周期短 制品表面光洁度高 成型采用双面模具，模 具成本较高
