復合材料機身桶段試驗件

 

 

C系列復合材料尾椎壁板
 

 

C919機身球面框

 

蒲永偉，1987年畢業(yè)于國防科技大學，學士學位。研究員級高級工程師。

  

　　《中國航空報》：在科技發(fā)展迅猛的今天，復合材料已廣泛應用于越來越多的領域，您作為復合材料首席技術專家，從總體上，認為國內復合材料將向哪個方向發(fā)展，其情況如何？

 

　　蒲永偉：現代科學技術的發(fā)展牽引著工程材料正向復合化、高性能化、功能化、結構—功能一體化和智能化發(fā)展，而先進復合材料的發(fā)展就是其中的典型代表之一。自1967年問世以來，其具有高比強度和比模量、各向異性和可設計性、良好的抗疲勞特性、易于大面積成型及可被賦予新功能等特點，被廣泛應用在工業(yè)界、體育用品界，尤其是在對重量、性能有苛刻要求的航空航天領域中受到特別的關注與重視，為改進飛行器性能做出了重要貢獻，成為了航空航天四大材料之一。同時，隨著航空航天的快速發(fā)展，也加快推動了復合材料的發(fā)展。

 

　　《中國航空報》：在當今航空工業(yè)領域中，復合材料被廣泛應用于機翼、機身等主承力結構，航空工業(yè)的發(fā)展對復合材料零件制造提出了哪些要求？

 

　　蒲永偉：1969年，我國開始研發(fā)先進復合材料。1985年，進行系統(tǒng)、完整、有計劃的研究，并進行小批量生產。隨著我國航空領域飛機設計水平的逐步提高和新型復合材料的不斷出現，復合材料逐步應用于主承力構件。當前，先進復合材料已在我國自主設計的軍民機上，包括鴨翼、垂直安定面、水平安定面、升降舵及方向舵等構件進行批量應用，大幅度提高我國航空復合材料技術水平。

 

　　“一代飛機、一代材料、一代工藝”。面對著復合材料構件結構多樣化、尺寸大型化的發(fā)展前景，傳統(tǒng)復合材料構件制造工藝已不適應我國航空工業(yè)快速發(fā)展的需要，尤其在國外對我國該類型制造技術進行封鎖的情況下，探索符合我國航空制造業(yè)現狀，滿足發(fā)展需求的技術方案和新型復合材料制造工藝，發(fā)展我國復合材料產業(yè)是我們急需解決的問題。

 

　　《中國航空報》：據了解，您在航空復合材料構件制造領域取得了優(yōu)異的成績，如U型多區(qū)域蜂窩夾層復合材料構件制造等，能否請您根據自身的科研經歷，談一下如何突破技術瓶頸、如何實現最終的成果應用？

 

　　蒲永偉：作為一名從事復合材料領域研究開發(fā)應用20余年的科技工作者，我深感責任重大，帶領技術團隊致力于研發(fā)并驗證復合材料構件的新型制造技術，并將其推廣運用到航空領域中，多次成功解決了國家新研項目急需解決的問題，打破了多項國外對我國先進制造技術的封鎖，為多類型復合材料構件的制造提供了全新的思路，提升了我國先進復合材料制造技術水平。

 

　　高性能飛機需要高效率的結構，采用復合材料主承力結構是實現飛機大規(guī)模使用復合材料的關鍵，是當代大型飛機先進性的重要標志之一。目前國外的大型民機如波音和空客系列飛機的機體復合材料的用量與日俱增，并實現在機翼、機身等主承力部件的應用。

 

　　在大型飛機復合材料尾椎壁板的研制中，我們研發(fā)團隊成功突破了大型、雙曲、異形長桁類構件整體制造技術，掌握了一項全新的復合材料整體共固化制造技術，并成功應用于多型號軍民機任務中大型壁板的制造中。該技術利用復合材料、橡膠組合工裝并輔助橡膠氣囊芯模，重點解決了雙曲Ω長桁工裝制造、蒙皮長桁定位、芯模脫模和零件表面質量不高等技術難題，生產的構件外形尺寸和內部質量好、工藝操作簡單而且周期較短。

 

　　大型飛機在舵面、平垂尾整流罩、翼尖等部位的復合材料制件更多地采用芳綸蜂窩夾層結構，已從平面單塊蜂窩擴展到U型多塊蜂窩。這種復雜的結構對我國的復合材料夾層件的制造水平提出了較高要求。對此，我們研發(fā)團隊研發(fā)出一種整體輔助工裝共固化技術，可以提高產品設計效率和產品制造效率、外觀質量和合格率。該工藝適用性強，可用于制造任何形狀的蜂窩夾芯結構。該技術優(yōu)點是設計人員在蜂窩構件結構設計時，只要考慮結構整體的對稱性，而無需考慮結構內、外蒙皮的鋪層對稱性，及專門設計共固化防滑帶鋪層，就可保證蜂窩位置不滑移、不塌陷并避免蒙皮褶皺，更好地進行工藝協(xié)調，確保了在軍民機生產任務中蜂窩夾層件的交付。

 

　　《中國航空報》：復合材料的加工成型是實現材料應用的關鍵步驟，具有不同力學、熱學特性的材料需要不同的加工方法和加工條件來完成，針對相關的技術難點，我們在加工過程中開創(chuàng)了哪些獨特的方法？

 

　　蒲永偉：復合材料是由基體樹脂、增強體和助劑組成的多相體系，其中基體樹脂通常為雙馬來酰亞胺、環(huán)氧、酚醛或聚酰亞胺等熱固性樹脂，增強體為玻纖、碳纖、芳綸纖維等，助劑包括固化劑、抗氧化劑、抗紫外劑等。在固化過程中，為防止復合材料制造環(huán)境的復雜性和非線性多場耦合作用，而產生產品缺陷，提出“均衡制造體系”的概念。它是指以特定的零件制造環(huán)境為研究對象，以單元技術和理論模擬計算為手段，以達到零件驗收交付條件為基本要求，在綜合評估生產成本、制造周期、潛在風險等因素的基礎上，優(yōu)化工藝條件，統(tǒng)籌設計零件成型的各種限制性條件，在允許部分缺陷存在（缺陷可控）的情況下，達到生產成本最低、制造周期最短、零件質量穩(wěn)定性最高，最終實現零件制造的利益最大化。對于目前應用最廣泛的真空袋-熱壓罐成型技術而言，特定的零件制造環(huán)境在范圍上是指真空袋和工裝貼胎面所包圍的密封環(huán)境。由于在零件成型過程中必然存在偶然性因素，過分追求每一個細節(jié)的完美無缺必然增加制造成本，并且容易破壞制造環(huán)境中的平衡而造成更大的缺陷。因此，要在產品加工過程中做到缺陷可控，必須要建立熱壓罐成型的理論數學模型，以特定的制造環(huán)境為研究對象，區(qū)別對待主要影響因素和次要影響因素，結合單元技術和理論計算手段，對零件某一位置的制造結果做出預先評價。將選定對象的所有限制條件（即影響因素）分類區(qū)別對待，建立所有的理論上變量的種類及相互影響的關系模型后，利用現有的理論公式來計算評估每個一級變量對零件成型結果的影響，其評價結果或者現有理論難以準確計算的，可以用相近條件下的單元實驗來驗證或評價。單元技術和理論計算共同構成了“均衡制造體系”的評價基礎。

 

　　《中國航空報》：當前，國內復合材料構件制造水平和情況如何？著眼于未來的復合材料構件制造，特別是航空領域復合材料零件制造將面臨哪些亟待破解的難題？

 

　　蒲永偉：當前，國內的復合材料制造業(yè)是一個以經驗和主觀判斷為主要生產手段的粗糙型產業(yè)，未來的發(fā)展趨勢必然是以理論代替經驗，以客觀計算代替主觀判斷，輔以表征測試手段的發(fā)展，最終成為理論預測先行、過程規(guī)范操作、實時可視監(jiān)控的現代化產業(yè)。目前，沈飛公司研發(fā)團隊建立復合材料構件制造單元技術數據庫，嘗試多元化分析手段，采用數字影像技術監(jiān)控制造全過程用以建立并追溯構件的全程制造歷程。沈飛公司與大連理工大學等六家單位于2013年聯(lián)合申報，并已實施的2014年國家973計劃項目——“大型航空復合材料承力構件制造技術基礎研究”，對復合材料承力結構件制造具有非常重要的指導意義。其研究內容囊括了復合材料從原材料到成形、固化、檢測，再到裝配的整個制造過程的基礎研究工作，可以對復合材料結構件的設計形成反饋。

 

　　《中國航空報》：在您看來，我國在復合材料的應用與構件的加工方面，與國外工業(yè)發(fā)達國家相比主要的差距在哪里？我們應該從哪些方面來縮小差距？

 

　　蒲永偉：目前，以波音、空客等世界著名飛機公司為代表的復合材料構件的應用及加工水平已非常成熟，而國內復合材料在飛機上的應用還相對落后。要想進一步在機身、中央翼盒等部位應用，國內傳統(tǒng)的復合材料制造技術方案已不能滿足工藝的要求。面對這種差距，一要對我國復合材料產業(yè)的制造環(huán)境有清晰的認知，要識別出我們在材料體系、加工能力、裝備條件等方面與業(yè)界領先水平之間的差異。二要觀察全球產業(yè)現狀，充分利用民機轉包生產等機會，主動學習國外先進的設計及制造理念、管理方法及技術手段，以提升我國復合材料制造產業(yè)的整體水平，拉動相關配套產業(yè)的技術飛躍。三要堅持走自主創(chuàng)新的道路，立足已有的制造環(huán)境，在工藝設計上全面融入“均衡制造”的思想，克服基礎材料、裝備條件等方面的短板，充分發(fā)揮自身專長，提升產業(yè)發(fā)展水平。