超長復(fù)合材料應(yīng)變能桿件連續(xù)自動化成型技術(shù)及

采用先進(jìn)復(fù)合材料制造 的應(yīng)變能桿依靠收攏儲存的應(yīng)變能可自動伸展形成可起支撐作用的超長構(gòu)件，這種構(gòu)件具有收攏體積小和展開剛度大的優(yōu)點，便于航天器發(fā)射時攜帶。特別是衛(wèi)星天 線和星際探測器的太陽帆尺寸要求越來越大，復(fù)合材料應(yīng)變能桿因其突出優(yōu)勢在這些超大展開部件上有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，單根應(yīng)變能桿的長度已達(dá)30多米，未來將更長，這就對其制造技術(shù)提出更高的要求，復(fù)合材料連續(xù)自動化成型技術(shù)將成為其工程應(yīng)用的重要的解決方案之一。

隨著人類探索宇宙深度的增加，衛(wèi)星、飛船和星際探測器等航天器的天線尺寸要求越來越大。此外，太陽帆（光帆）已被視為進(jìn)行深空探測和星際探測的理想推進(jìn)機構(gòu)。太陽帆是以太陽的輻射壓做為探測器的推進(jìn)力，由于輻射壓非常小，所以要求太陽帆的面積非常大，大型太陽帆的面積要求10000多m2。航天器的天線結(jié)構(gòu)和太陽帆在發(fā)射到預(yù)定軌道之前是收緊在一個較小容器中，等發(fā)射到預(yù)定軌道后再進(jìn)行展開。早期的衛(wèi)星天線是采用機械機構(gòu)進(jìn)行展開的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大。20世紀(jì)80 年代以來，美國、歐洲、日本等相繼開始研究利用薄膜技術(shù)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)可收攏和展開的大型化和輕量化空間結(jié)構(gòu)。

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20世紀(jì)90年代，歐洲航天局（ESA）和德國宇航中心（DLR）提出采用碳纖維增強復(fù)合材料應(yīng)變能桿作為桅桿，對角撐開太陽帆薄膜的太陽帆總體方案，并進(jìn)行了20m×20m太陽帆的地面展開試驗（圖1）。復(fù)合材料應(yīng)變能桿是由兩個Ω形復(fù)合材料應(yīng)變能構(gòu)件（圖2 （a））膠接而成，可以在外力作用下壓扁并收卷成特定的形狀（圖2（b）），在自由狀態(tài)下時依靠收卷變形儲存的應(yīng)變能，可展開成桿結(jié)構(gòu)（圖2（c））。




近年來，隨著波音787、空客350等 大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的航空器陸續(xù)投入商業(yè)運行，標(biāo)志著先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制日益走向大型化和經(jīng)濟型——從力學(xué)性能的最大化轉(zhuǎn)向通過低成本技術(shù)來獲得經(jīng)濟上可 承受的結(jié)構(gòu)，這一過程的轉(zhuǎn)變與先進(jìn)復(fù)合材料的自動化制造技術(shù)的發(fā)展是有著密切的關(guān)系。預(yù)浸料自動成型技術(shù)，包括自動鋪帶技術(shù)(ATL)和自動纖維鋪放技術(shù)（AFP）和先進(jìn)拉擠（ADP）等為核心的自動化制造技術(shù)成為發(fā)展的重要方向之一。目前發(fā)達(dá)國家在航空航天復(fù)合材料制造中廣泛采用的自動化技術(shù)，采用預(yù)浸料和數(shù)字化設(shè)計與自動化制造超大、低成本先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件，同時，促進(jìn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量的提高，改善了工藝環(huán)境，實現(xiàn)綠色制造。

應(yīng)變能桿的特點

復(fù)合材料應(yīng)變能桿不同于其它復(fù)合材料型材構(gòu)件，有其自身顯著的特點：

（1）超長：應(yīng)變能桿主要用于大型衛(wèi)星天線和太陽帆的支撐結(jié)構(gòu)，這就決定了其長度非常大的特點。ESA和DLR的研究表明質(zhì)量為110kg的飛船需要125m×125m的太陽帆作為推進(jìn)系統(tǒng)（假設(shè)太陽帆密度為8g/m2），若采用4根應(yīng)變能桿對角支撐的方案展開，則單根應(yīng)變能桿的長度接近90m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的航天器和飛機的長桁等型材結(jié)構(gòu)。這就要求更大成型設(shè)備或新的成型方法。

（2）超?。簽楸Ｕ蠎?yīng)變能桿的收攏和展開，桿壁厚度要求不超過0.5mm；并且為滿足應(yīng)變能桿的抗扭、抗彎和基頻的設(shè)計要求，桿壁必須具有±α°鋪層和連續(xù)0°鋪層（不允許間斷和搭接）。這就對預(yù)浸料厚度要求更加苛刻，而且對制備預(yù)浸料的坯材要求更高。 123456

（3）超高直線度：由于應(yīng)變能桿長度增加給制件的直線度帶來更高的要求，從而保障兩半片應(yīng)變能桿制件粘接的吻合度和最終應(yīng)變桿的總體直線度。

（4）超精確外形：由于應(yīng)變能桿是由兩半片膠接制成，為保障兩半片膠接面的貼合緊密，膠接后沒有畸變，必須要求固化后的復(fù)合材料應(yīng)變能制件的外形及尺寸具有高度一致性。這就對預(yù)浸料的鋪放角度和鋪放張力提出了更高的要求。

復(fù)合材料超長結(jié)構(gòu)連續(xù)自動化成型技術(shù)

目前，復(fù)合材料行業(yè)使用的成型設(shè)備主要包括熱壓罐、模壓機和拉擠設(shè)備。

（1）熱壓罐是具有整體加熱系統(tǒng)的大型壓力容器，具有壓力場均勻、溫度場均勻、加壓靈活、適合多種材料及多種形狀產(chǎn)品的生產(chǎn)等特點，但制件尺寸受到熱壓罐尺寸的限制。國外已研制的應(yīng)變能構(gòu)件的長度達(dá)到30m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)今國內(nèi)最大熱壓罐尺寸為Φ5.8m×19m。而且隨著熱壓罐尺寸（≥10m）的增大，設(shè)備的制造成本更昂貴，溫度和壓力響應(yīng)遲緩，溫度控制精度差。因此隨著復(fù)合材料應(yīng)變能構(gòu)件尺寸的增加，熱壓罐設(shè)備不能適用于超長構(gòu)件的成型。

（2）模壓機具雖然具有壓力范圍寬（10~2000T）、壓力均勻、產(chǎn)品尺寸精度高等特點，但其工作面尺寸有限（最大為1.5m×3m），多用于制備板狀、管狀或者其他較為簡單形狀的復(fù)合材料制品，不能直接作為應(yīng)變能構(gòu)件的整體成型設(shè)備。

（3） 拉擠設(shè)備是將纖維或織物濕法浸膠，在張力作用下通過加熱的模具實現(xiàn)連續(xù)成型和固化，該設(shè)備突破了產(chǎn)品尺寸的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化整體成型，但不能進(jìn)行復(fù)雜 鋪層方式的設(shè)計，實現(xiàn)制品力學(xué)性能可設(shè)計性，制品性能具有明顯的方向性，其橫向強度較低，含膠量控制精度較低，而且只限于生產(chǎn)通用復(fù)合材料型材，不能應(yīng)用 制備航天高性能復(fù)合材料構(gòu)件。

復(fù)合材料應(yīng)變能桿的顯著特點對其成型工藝提出了更高的要求。國外已研制的應(yīng)變能構(gòu)件的長度已達(dá)到30m，采用現(xiàn)有工藝，其超長且無搭接的要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前國內(nèi)復(fù)合材料成型和固化設(shè)備的制造能力。另外，傳統(tǒng)的手工鋪疊已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)變能桿超高直線度和超精密外形對預(yù)浸料鋪放角度、張力和直線度的工藝要求，必須采用自動化連續(xù)鋪疊裁剪。 內(nèi)容來自123456

為了解決超長復(fù)合材料應(yīng)變能桿整體成型的關(guān)鍵技術(shù)，滿足應(yīng)變能桿的設(shè)計要求，南京航空航天大學(xué)提出了復(fù)合材料構(gòu)件連續(xù)成型技術(shù)方案，其基本流程如圖3所示。它是以預(yù)浸料為原料，經(jīng)裁剪-鋪 疊、預(yù)變形、熱壓固化、后固化、牽引和檢測等工藝過程替代原有成型設(shè)備成型產(chǎn)品，直接制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的總稱。高質(zhì)量預(yù)浸料作為原材料可保證制件的厚度 均勻，絲束分布均勻；自動化裁剪和鋪疊可保證預(yù)浸料的鋪放角度和鋪放張力，保障制件的直線度；預(yù)變形可避免制件在熱壓模具中的變形過大，從而保障制件固化 后的精確外形；固定位置或移動的熱壓固化模具和后固化設(shè)備可避免超大熱壓罐的使用，降低制造成本；制件牽引系統(tǒng)可實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的連續(xù)成型。



復(fù)合材料連續(xù)成型設(shè)備與傳統(tǒng)成型設(shè)備的比較見表1。連續(xù)成型設(shè)備不受場地和模具的限制，可在小型模具上通過連續(xù)固化成型生產(chǎn)大型、超長復(fù)合材料構(gòu)件。另外，該設(shè)備可通過成型前的自動裁剪-鋪疊系統(tǒng)，實現(xiàn)具有鋪層設(shè)計的復(fù)合材料構(gòu)件的連續(xù)生產(chǎn)，這與傳統(tǒng)的拉擠設(shè)備不同，同時可控制復(fù)合材料構(gòu)件的纖維體積含量。



南京航空航天大學(xué)在復(fù)合材料構(gòu)件連續(xù)成型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上初步研制了復(fù)合材料應(yīng)變能桿成型的原理樣機（圖4（a）），并試制了20m長應(yīng)變能桿（圖4（b））。



應(yīng)用前景

復(fù)合材料應(yīng)變能桿因其突出優(yōu)勢在航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，可以用于合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星的天線的桅桿，以及其他衛(wèi)星和探測器天線的展開機構(gòu)。

復(fù)合材料構(gòu)件整體連續(xù)成型技術(shù)不僅可以完成應(yīng)變能桿的制造，而且可以用于制造衛(wèi)星和飛船中的桁條，以及飛機的地板梁和機身機翼的長桁等復(fù)合材料型材結(jié)構(gòu)。從而提高生產(chǎn)效率，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。



作者：齊俊偉 肖軍 王躍全

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單位：南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院