《材料科学与工程前沿》课程
复合材料先进制造技术发展与应用
提纲
复合材料制造工艺的特点 复合材料制造技术发展趋势 自动化制造技术 液体成型技术 整体成型技术 数字化成型技术 非热压罐固化技术
复合材料制造工艺的特点
复合材料制造工艺的特点
原材料与 模具准备
成形固化
无损检测 机加与装配
复合材料结构制造基本流程
复合材料制造技术发展趋势
自动化 制造技术
实现大型构件制造的必要前提 原材料生产与制件生产一体化
液体成型技术
大面积整体 成型技术
数字化 制造技术
非热压罐 成型技术
最重要的低成本工艺方法 降低重量、减少装配量的途径 有效控制制造质量的关键技术 减少设备投资和能耗
提高生产率 保证高质量 实现低成本 增强可靠性
成型 后固化
预浸料下料 脱模
铺叠毛坯
抽真空 预吸胶 (组装)
预压实
固化
无损检测 测厚
切边打磨
称重
复合材料构件制造工艺流程
自动化制造技术-热压罐工艺特点
包括预浸料剪裁（下料）、铺叠、
Bag & Cure (13%)
Tool Prep (12%)
预压实三个环节
Trim
(6%)
劳动强度大，耗时长，成本高
独立送纱 独立切断
任意外形
自动化制造技术-自动铺放
自动化制造技术-自动铺带
自动铺带技术ATL(Automated Tape – Laying)
Cincinnati Machine与Cytec于60年代中期开始研制自动铺带机 用于人工铺叠难以实现的大型结构件铺层 大幅度节省时间、劳力，速度较手工提高10倍 节省原材料，废品率仅3-5% (手工25-30%) 尺寸越大效率越高，尤其当零件尺寸大于手工临界尺寸5m×2.5m
自动化制造技术-自动化装配
数字化装配技术
机器人装配
A400M舱门钻孔
F-35进气道钻孔
自动化制造技术-其他自动化技术
捻子条
自动工装清理及涂脱模剂 自动化制真空袋 自动检漏 自动化定位 捻子条拉挤 预成型体转移 自动化脱模及转移 自动化加工等
液体成型技术
液体成型技术
液体成型工艺LCM（Liquid Composite Molding）
VARI成型示意图
液体成型技术—VARI技术
特点： 无需热压罐，设备投入及使用费用低廉 产品质量高，零孔隙含量、纤维体积含量
可达60％，力学性能好 容易实现整体成形、降低制造难度、降低
连接工作量、大大降低成本 可以结合纤维缝合技术、泡沫缝合技术
VARI成形A400M货舱门
液体成型技术—VARI技术
② 成型工艺含两个过程——成形与固化
成型 工艺
成形 赋予构件形状
——原材料如何制成所需结构形状（成形方法 ）
固化 固定构件形状
——赋予复合材料结构件力学性能（固化方法）
浸渍 流动 固化
热固性树脂（已固化） Thermoset
浸渍 流动 硬化
热塑性树脂 Thermoplastic
复合材料制造工艺的特点
自动化制造技术-自动铺丝
法国Coriolis热塑预浸料 自动铺放机
自动化制造技术-自动铺放
结构复杂性-工艺-生产效率关系
自动化制造技术-高效成型技术
在线模压成型工艺LFT-D 将原材料生产、产品生产合二为一，大幅度缩短生产周期、降低制造成本和能耗
自动化制造技术-高效成型技术
长纤维增强热塑性材料在线模压成型工艺LFT-D
热压罐工艺
复合材料制造技术发展趋势
复合材料制造技术发展趋势
手工铺贴 热压罐
拉挤
缠绕
传统
液体成型技术
全自动化制造技术
自动铺贴
自动铺放 整体成型技术
先进
非热压罐技术 数字化成型技术
发展
复合材料制造技术发展趋势
复合材料制造向大、精、省发展 已有制造技术不断深化、组合与优化 复合材料结构智能制造与智能车间 适合新兴复合材料的制备技术研发，如连续碳纳米管增强复合材料和 高含量石墨烯复合材料制备技术
TE Structure
Torque Box Low er Skin W ith Integral Spars
CC2264 3044.ppt
整体成型是复合材料的优点和特点之一
整体化成型技术
共固化 T型 帽型
胶接
A340垂直安定面：零件数2000件→100件 A310、A330垂直安定面：零件数2000件
在一定温度及压力下把低粘度的树脂注入预先置有增强纤维 的模具中，然后固化成型的一种复合材料成型方法
液体成型技术＝ 纤维预成型体 + 树脂充模技术
降低设备成本和 能耗，便于净尺 寸零件成型
液体成型技术
LCM技术
树脂传递模塑——RTM
Resin Transfer Molding 如A380翼肋
树脂模渗透工艺——RFI
RTM工艺 ＋ 热压罐工艺 → RFI工艺
RFI工艺将复杂的三维树脂流动转化为一维(厚度)
特点 方向的流动，树脂在成型过程中流动距离短，因
而树脂可以具备较高粘度，也可以缩短成型时间
液体成型技术—RFI技术
A380 后承压框
采用RFI工艺，PMI泡沫为筋条芯模
液体成型技术 VARI工艺
①成本低, 特别适合大尺寸、大厚度结 构件的制作, 还可以在结构件内表面嵌 入加强筋、内插件和连接件等; ②制品纤维体积含量高、孔隙率低, 性 能与热压罐工艺接近; ③工艺稳定性好; ④闭模成型, 比较环保。
复合材料制造工艺的特点
复合材料成型工艺与金属材料结构制造工艺截然不同 结构成型与材料成型同时完成 成型工艺含两个过程——成形与固化 复合材料结构可实现整体成型
复合材料制造工艺的特点
① 结构成型与材料成型同时完成
工艺控制格外重要
• 直接影响构件性能 • 直接影响成本 • 工艺控制难度大
复合材料制造工艺的特点
→20件
Precured Stiffeners
L型
1）减少零件数目和连接件数目 2）易于实现翼身融合体布局 3）增加机体表面光滑完整程度 4）避免钻孔，减少构件加工损伤
Box and Rudders
Horizontal Tail Plane:
IM Fiber, ATL for
Torsion Box and Elevators
自动化制造技术
B787 复合材料 50%（80%为自动铺放）
自动化制造技术-热压罐工艺特点
自动化制造技术-热压罐工艺特点
预浸料制备
切割
铺叠
三菱重工 MRJ 新一代支线喷气客机，VARI成型垂尾
液体成型技术
自动铺放技术+液体成型技术
液体成型技术
干纤维自动铺放预成型体
液体成型技术
干纤维自动铺放预成型体RTM窗框
液体成型技术
俄罗斯MS-21采用干纤维 自动铺放+真空灌注制备机翼
液体成型技术
连续预成型体制备技术
连续制备F型隔框预成型体
自动化制造技术-自动铺丝
通过多轴联动的铺放头将不同数量的预浸丝束在压辊下 集束成带，通过传送，加热，压实等功能，按照程序设定的 路径将预浸丝束铺叠在模具上，制成零件的预成形体。适用 于机身等复杂曲面类结构，可使飞机复材用量达到50%。
材料宽度： 3.2mm 6.4mm 12.7mm
自动化制造技术-自动铺丝
GGrraapphhiittee//EEppooxxyy TTaappee GGrraapphhiittee//EEppooxxyy CCllootthh AAlluumm iinnuumm TTiittaanniiuumm
未固化的蒙皮
Torque Box Upper Skin Alum inum LE
自动化制造技术-自动铺带
ATL是针对机翼、壁板构件 等大尺寸，中小曲率的部 件在20世纪60年代开发的 一项采用预浸带快速自动 铺放的复合材料自动化制 造技术
目前已广泛应用于飞机机翼、尾翼壁板的制造
自动化制造技术-国外自动铺带
A380襟翼蒙皮
A380中央翼盒
波音777飞机尾翼
采用自动铺带技术生产的波音787机翼
液体成型技术
RTM工艺典型应用
复合材料机身隔框
液体成型技术
RTM工艺典型应用
B787起落架撑杆
A330/340扰流板接头
液体成型技术
RTM工艺典型应用
LEAP-X发动机复合材料风扇叶片 三维编织碳纤维预成型体+RTM
液体成型技术 RFI工艺
原理
树脂膜置于预成型体下方，然后通过热压罐加热熔融树脂 膜，在真空和外压作用下使熔融树脂渗透到纤维预成型体 中，并排除气体，浸渍纤维
自动化制造技术-国外自动铺丝
丝束铺放技术在B787上的应用
丝束铺放技术在A380上的应用 丝束铺放技术在商务机上的应用
雷神首相I 机身纤维铺放
自动化制造技术-国外自动铺丝
碳纤维/PEKK预浸料热压罐工艺制度
优异的韧性和抗损伤性能 可回收性 无限的室温储存期 高效率的成型周期
热塑性预浸料自动铺丝工艺
自动化制造技术-高效成型技术
热固性预浸料在线模
• 大厚度、大型构件快速高效自动化无损检测设备 • 以多通道超声C扫描设备为重点 • 形成无损检测和缺陷评估的规范标准体系
A380复合材料超声自动检测
ATR72机翼下蒙皮 浸于水中超声检测
复合材料工艺种类多、性能差异大
复合材料制造工艺的特点
复合材料工艺与纤维长度有关
复合材料制造工艺的特点
③ 复合材料结构可实现整体成型
采用共固化/共胶接等技术，可大量减 少零件、紧固件数目，提高减重效率