复合材料先进制造技术成熟度分析
【摘要】本文分析了复合材料飞机结构技术成熟度定义方法，对每一等级的复合材料技术成熟度进行了概要描述。

通过复合材料机翼、机身等结构的实例分析，给出了目前国外先进机型在制造技术上的成熟度等级。

【关键词】复合材料；成熟度；先进制造技术
技术完备等级（trl）是一种比较系统的技术成熟度评价方法，由美国nasa于20世纪90年代初提出，并被美国空军研究实验室（air force research laboratory）作为武器系统技术成熟度的评价方法。

1999年，美国国防部开始执行trl，并颁发trl军标指南草案。

美国其它政府部门、机构和许多国际技术组织自美军颁发trl军标指南草案后，也开始在项目管理的适用性评价工作中推广应用trl。

nasa按技术的发展过程将技术成熟度划分为九级： trl 1～trl 9。

国内外航空企业型号研制中，复合材料的应用通常采用积木式方法逐步验证和实施。

积木式方法对复合材料从试件、元件、组件、部件，直到全尺寸部件结构都需要进行严格考核，以避免结构超重和结构设计的风险。

其遵循的层级递进的研究方法同样可以归纳为表1所示的9个成熟度等级。

复合材料技术成熟度达到trl 6之前，主要以预研为主，而trl 6以上则可进入工程化开发阶段，供型号选用。

一般情况下，一种新复合材料技术处于单一的trl等级。

新材料的研制并不一定要经历
所有trl等级，但跨等级发展将增加材料研制的风险。

美国在过去的几十年中实施了一系列的复合材料研究计划，以解决飞机复合材料设计、制造、生产、试验中遇到的问题。

通过这些研究计划的实施，美国实现了复合材料结构由飞机次承力结构到主承力结构中的过渡，积累了复合材料机翼、机身结构设计的经验，确定了一系列的复合材料结构设计准则和试验方法，解决了复合材料生产过程中遇到的诸多困难，从而大大推动了美构复合材料结构在飞机结构中的应用。

这些研究成果集中的体现在boeing-787、f-22、b-2等新一代先进飞机中。

为了解决复合材料生产制造方面存在的一些问题，进一步推动复合材料结构在飞机结构中的应用，nasa对多种复合材料制造技术进行了研究。

其研究重点是纤维自动铺放技术、编织复合材料的损伤容限设计和复合材料的液体成型工艺。

此外，对复合材料的高速自动化生产技术和低成本的复合材料制造设备也进行了一些探索性研究，以解决复合材料结构的成本问题。

在复合材料制备方面，nasa兰利研究中心重点发展热固性和热塑性复合材料的低成本自动生产技术；对复合材料预浸料的低成本液体成型工艺也进行了研究。

在复合材料的低成本自动制造工艺研究中，详细的讨论了纤维自动铺放等热塑性和热固性复合材料材料的制造工艺。

在复合材料预浸料的液体成型工艺研究中，主要讨论了树脂膜熔浸（rfi）、树脂转移成型（rtm）和真空辅助树脂转移成型（vartm）。

通过在复合
材料机翼盒段结构上的应用，对用这些低成本制造方法生产的材料和结构的性能进行了鉴定。

实例1：
为了解决编织复合材料预浸料的制造问题，nasa研制出了新一代的高效缝纫设备，解决了先前的缝纫设备存在的问题，采用该设备能够对客机机翼蒙皮结构进行快速缝纫，从而提高了结构的损伤容限和面外性能特性。

研究人员采用该设备制造的蒙皮壁板结构已经应用于ast计划中的机翼结构设计，如图1所示。

实例2：
对于树脂膜熔浸技术（rfi），研发出了可重复使用的真空袋；并通过建立三维模型对材料生产过程中树脂材料的流动性、流动路径和渗透时间等进行了研究，明确了预浸料的紧密型和渗透性对结构性能的影响。

采用rfi技术制造出了完整的机翼蒙皮壁板结构，如图2所示。

实例3：
对于纤维自动铺带技术，研究人员研制出了新的用于纤维自动铺放的自动化设备；采用该设备可以复合材料单向层进行加热、铺放和剪裁等，新的铺放设备能够铺设五个0.635cm宽的纤维或3.18cm 宽的热塑性或者热固性胶体材料，并且可以继续改进从而铺设更窄的纤维材料，从而提高了复合材料的生产效率。

采用这种制造工艺制成的复合材料结构已经应用于boeing-777客机的尾翼结构、f/a-18e/f的尾翼和进气道结构和v22的部分零
件结构上。

采用纤维自动铺放技术制造出了高质量、高强度准各向同性圆柱形壳体复合材料板，图3为复合材料壳体的照片。

技术成熟度分析：
实例1、2、3中，应用这些新的研究成果，nasa研究人员制造了大量的典型复合材料结构，这些典型结构的制造成功，为以后复合材料结构设计、生产奠定了良好的基础。

其中的某些制造工艺已经应用于具体型号的结构制造中。

根据nasa九级技术成熟度标准，该项技术的技术成熟度为9。

【参考文献】
[1]杨乃宾.新一代大型客机复合材料结构[j].航空学报，2008，29（3）：596-604.
[2]杨乃宾.大型民机机体结构用复合材料分析[j].航空制造技术，2009（5）：68-70.
[3]牛春匀.实用飞机复合材料结构设计与制造[m].北京：航空工业出版社，2010.
[责任编辑：王静]。