先进复合材料成型技术在交通运输装备领域的发展应用

1 背景

《中国制造2025》对新材料和新工艺提出了明确要求，对于制约我国制造业发展的瓶颈和薄弱环节，应加快转型升级和提质增效，切实提高制造业的核心竞争力和可持续发展能力。低成本、高效率、自动化生产线是提高我国制造业国际竞争力和市场占有率的核心要素。新兴材料作为先导性基础产业，是高端制造及国防工业等的关键保障。

近十年来，先进复合材料发展趋势迅猛，欧盟美国和日本相继发布支撑计划或战略，如《“地平线2020”计划》《美国国家创新战略》《科学技术创新综合战略》中都将新材料的研究与应用作为重要发展方向，先进复合材料的发展在欧美等发达国家得到了充分的战略性和政策性支持。新材料代表一个国家基础的科学技术实力，因此，提升新材料的基础支撑能力，实现从“材料大国”到“材料强国”的转变，是我国新材料产业发展的核心目标。《国家“十三五”战略性新兴产业发展规划》《中国制造2025》等都对加快新材料产业的发展提出具体思路和对策，而新材料产业的发展一直伴随着新工艺的出现和应用而发展。先进复合材料在产品型号的使用率方面，一定程度上代表着该型号产品的技术先进性。

随着我国“一带一路”倡议的提出，轨道交通事业面临新的机遇与挑战，交通运输设备的轻量化在整个我国制造业的升级中占有重要地位，急需新材料和新工艺的技术支撑。轨道交通载体、汽车及飞机的轻量化产业发展迫在眉睫。其中，中国中车在“引领全球轨道交通装备行业发展”目标的导向下，其主机厂如中车青岛四方机车车辆股份有限公司、中车长春轨道客车股份有限公司、中车唐山机车车辆有限公司等已经开展了轨道交通车辆设备舱、车体、司机室、转向架等碳纤维复合材料化的相关研制，共同推进轨道交通装备的轻量化进程，已取得较大成效。但是，高性能纤维增强树脂基复合材料等先进材料在轨道交通装备领域的应用仍处于研制阶段，还需要更多的试验验证及进一步的深度研究。

我国在《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006—2020年）》中提出，将大型飞机（民用飞机）定位于“未来15年力争取得突破的16个重大科技专项”之一，并于2007年，由温家宝总理批准了大型飞机研制重大科技专项。因此，先进复合材料在飞机总体材料中的应用比例将直接影响国产大飞机的市场竞争力。在大飞机上应用大量的复合材料，自然要面临成本高昂的问题。因此，低成本、高效率、自动化成型技术是复合材料研究领域的核心问题。国外自动化技术有利于提高复合材料化的效率并降低成本，但是因为国外的技术封锁，我国只能对其进行巨大的人才、设备及经费投入，来满足低成本复合材料技术需要。目前，降低复合材料应用的成本主要是原材料及后期的工艺及维护，原材料成本仅占20%，可见，复合材料设计制造技术的低成本化迫在眉睫。降低大型复合材料制件制造成本的技术途径主要为高效率、自动化的成型技术，如自动铺放技术、长大型材复杂截面拉挤成型技术、网格缠绕成型以及液体成型等低成本工艺成型技术。

2 低成本、高效率及自动化复合材料成型技术

低成本、高效率及自动化复合材料成型技术的发展及工程化应用是高性能复合材料应用于轨道交通装备产业化的关键。现在航空、汽车、轮船及轨道交通探讨较多的低成本、高效率及自动化的复合材料成型技术主要有4种：包括自动铺放技术、长大型材拉挤技术及网格缠绕整体成型技术和液体成型技术。

2.1 复合材料自动铺放技术

自动铺放技术不同于传统的手工铺覆，通过程序设定精确控制增料加工模式减少了拼装零件的数量，节约制造、装配和加工成本，能够更充分地利用材料，提高材料的利用率，降低材料废品率，提高加工效率。该技术适用于大尺寸和复杂构件，是高效、低成本制造的重要解决方案。

自动铺放技术主要有2种形式：自动铺丝和自动铺带。自动铺丝技术（Automated Fiber Placement，AFP）能够将多条窄带纤维束或同时铺放在一个模具上，纤维丝束数量为12～32根，纤维丝束宽度分布为1/2～1/8英寸，多用于成型制造较小曲率的构件，自动铺丝技术可在多坐标自动铺丝机的控制下，铺丝头按照计算机计算得出的轨迹进行自动化铺层过程，通过放卷、导向、传输、压紧、切割、辊压等步骤最终完成制件的预制过程。在这个过程中，通过单独控制预浸丝束来完成整个的铺放成型过程，且在过程中可以进行丝束的增减及小曲率转角的铺放，能够适用于多种曲面制件的成型，包括一些含有尖锐曲率结构的构件，可实现全角度正负曲率结构的加工。如加入开口设计、局部補强的变厚度制件加工，可实现更小的纤维角度偏差，达到更高的生产效率。

未来复合材料制造技术发展的必然趋势应该是更加自动化，自动铺丝技术将是重要的发展方向，代表着前沿的成型自动化技术。就自动铺丝技术本身而言，主要发展方向就是高速及高生产力铺放及多铺放头集成复合铺放、结合工业机器人及大数据等形成智能、自动铺放等方向发展。而自动铺带技术（Automated Tape Layer，ATL）是将宽度为150mm和300 mm的纤维带子展开，铺放在模具上，一般只能用于相对平坦或小曲率的工件的铺放。

目前，法国的Forest—Line和Coriolis公司，美国的Electro Impact、MAG Cincinnati、In—gersoll公司、西班牙的M—Torres公司在自动铺丝铺带技术上发展的较为迅猛。由于铺丝材料的宽度一般为3.175mm、6.35mm和12.7mm，Solvay公司和Hexcel公司采用美国独立机械公司分切设备分切宽带。在自动铺丝技术的发展趋势下，国内也开展了大量自动铺放技术，主要进行了预浸料丝束相关研究。现在应用较多的自动铺丝材料主要是来自东丽（Toray）公司的3900材料和赫氏（Hexcel）公司的M21E预浸料丝束。这2种材料通过自动铺丝+热压罐技术已应用于B787和A350XWB的机翼和机身等零部件制造中，但是成本高昂，自动铺丝+低成本的非热压罐技术成为各大材料供应商、零部件制造商及设备供应商重点研制目标。目前，飞机零件上还没有应用低成本液体成型的干纤维丝束，较成熟的干纤维丝束主要有Hexcel公司的Hi Tape和Solvay公司的TX1100，相关研究表明液体成型树脂+干纤维大丝束技术可以达到预浸料铺丝+热压罐成型制件相当的力学性能。Hexcel的HiTape型号干纤维丝束专门为非热压罐成型技术设计，可适应干纤维的自动铺放工艺，配合Hex Flow树脂，零件厚度最高可达30mm，纤维体积含量可高达58%～60%。

在现有复合材料成型技术应用大型宽体客机制造的主要为自动铺放技术及缠绕成型技术。其中，自动铺放技术具有良好的结构适应性，可以铺放大型复合材料构件。随着自动铺放工艺的日益发展及与非热压成型的成熟应用，对于轨道交通及汽车及大型轮船的复合材料化部件成型也具有重要的借鉴意义。

2.2 复合材料复杂截面长大型材拉挤技术

拉挤成型工艺可通俗理解为复合材料通过模具中化学反应预成型再通过牵引力的作用做直线运动形成成品的一个过程。拉挤成型是的主要特点是：高效率、生产连续和自动化。拉挤成型产品特点：恒定截面、长度尺寸可控。

常规的非连续纤维的复合材料拉挤成型技术早有应用，而根据受力形式确定连续纤维布局的复杂截面拉挤技术具有较高的技术含量。工艺设计前期的受力分析、仿真分析及纤维丝束布局及预成型模具设计为此技术的核心，而采用的快速固化树脂的工艺控制以及拉挤速率控制为此技术的关键。复合材料的拉挤成型是将浸渍了树脂胶液的连续纤维，通过成型模具，在模腔内加热固化成型，在牵引机拉力作用下，连续拉拔出型材制品。其工艺流程图如图1。

拉挤成型工艺原理主要工艺步骤包括纤维输送、纤维浸渍、成型与固化、夹持与拉拔、切割。碳纤维从纱架引出，经过分纱板进入树脂槽中浸胶，然后进入预成型模，排除多余树脂，并在压实过程中排除气泡，再进入成型模，碳纤维和树脂在成型模中被挤压拉拔成型固化，最后经牵引切割成制品。在成型时，树脂应充分浸透纤维，通过近似截面形状预成型模，然后在成型模中固化成型。热固性树脂在成型过程中经历了粘度降低、热膨胀、凝胶固化、固化收缩几个阶段。该工艺适用于制造各种不同截面形状的管、棒、角形、工字形、槽型、板材以及复杂截面结构型材。

风电企业已经大规模应用了复合材料先进拉挤技术，取得很好的成效。中德轨道联合技术研发中心（以下简称“中德轨道”）现已完全掌握了先进的连续碳纤维复合材料长大型材（多向增强、多腔断面）拉挤技术，可制备由连续碳纤维增强复合材料组成的厚壁结构型材（单向或多向），具备设计及批产能力。2018年，中德轨道与中车四方股份公司合作研制了用于下一代地铁车体、设备舱的边梁制作，长度11～20m，一次成型完成。减重效果达30%及以上，力学性能优于原有铝合金型材。典型复杂截面形状如图2。

先进拉挤技术是一种复合材料低成本自动化制造技术，具有高效、自动化、制品长度可控、低制品孔隙率、易于二次胶接等优点；做为一种用于复合材料制造的成型技术，高强纤维的先进拉挤技术现在已经成功应用于空客A350、A380等大型飞机构件的制造上以及风电叶片的成型加工中。根据轨道交通车辆特点及复合材料的典型优势，采用拉挤工艺制备复合材料长大型材替代原有轨道交通车辆用铝合金型材是实现复合材料在轨道交通车辆方向用量提升的重大突破，是实现我国制造业升级的初步探索。新材料及新工艺支撑新产业，复合材料在轨道交通上的应用离不开新工艺的不断探索与开发。

2.3 复合材料网格缠绕整体成型技术

复合材料网格缠绕技术最早起源于俄罗斯，俄罗斯特种机械研究所是俄罗斯最早开展复合材料网格结构设计与成型的研究单位，也是世界上复合材料网格缠绕技术的先驱，在国际复合材料界享有盛誉。复合材料的网格结构主要有圆柱状网格结构、圆锥状网格结构及平板状的网格结构3种外形结构，复合材料网格结构制件可以做成带蒙皮和不带蒙皮2种，按照筋条不同的几何形式又分为三角形网格、斜置正交网格和正置网格正交。复合材料的网格缠绕结构成型发需要编制缠绕程序控制缠绕的方向和角度直接在網格凹槽中进行缠绕，需要制造对应的网格模具，可以实现高度自动化和批量化生产，且制品的稳定性较好，属于低成本的成型工艺方式。

目前，俄罗斯特种机械研究所的网格结构设计和缠绕成型技术已经发展到第3代，即各向异性网格缠绕技术具有较高的技术成熟度，已经完成适配器、太空舱、薄壁梁等多种成熟产品的批量生产（见图3）。

各向异性网格缠绕结构（成型工艺及设备见图4）主要由网格结构承载。蒙皮满足功能特性，与传统的复合材料层合板、夹芯结构具有本质区别，该结构具有更高的比强度和比刚度、设计灵活、结构稳定性和可靠性强、损伤容限高、自动化、低成本等优势，是当下航空航天界关注和研究的热点，必将对复合材料在其他领域的应用产生深远的影响。对于轨道交通装备而言，该技术更有望实现轻质、节能、低成本、高效率的目标，是加速实现复合材料在轨道交通领域规模化应用的关键技术手段。

2.4 复合材料网格液体整体成型技术

液体成型技术是指通过预制干态纤维织物的预成型体，通过树脂导入的方式与干纤维预成型体进行浸润，最终固化成型的一种成型工艺方式，主要包括树脂传递模塑（RTM）、真空辅助成型（VARI）及树脂膜渗透成型（RFI）等多种工艺形式，主要结合三维编织，二维编织加缝合等多种方式进行预成型体的编制，并设计合理的成型模具，确定最优化的树脂导入的温度、压力等工艺参数来实现。液体成型工艺一般采用固化炉或自加热模具、辐射固化模具等非热压成型的固化方式，节省了因热压罐成型产生的巨大能量消耗和设备费用投入。因为，对于飞机、轨道交通等交通领域装备而言，生产成本的控制直接关乎到企业的生存与发展，装备制造的低成本化尤为重要。

液体整体成型工艺可以提高产品的成品率，工艺稳定性较高，能够通过参数的优化，提高复合材料制品的损伤容限。液体成型工艺的发展不开树脂基体与纤维的浸润机理研究和树脂体系本身工艺性能的提高，需要树脂体系开发与纤维浸润匹配性研究的支撑。在交通装备的轻量化设计的同时需要控制工艺的稳定性和成本并且具有较高的效率，因此，液体成型技术提质增效降成本的发展趋势，发展液体成型技术也成为交通装备轻量化的重要解决方案。

3 低成本技术发展前景与展望

我国是人口大国，地域典型特点明显，环境问题突出，交通运输装备的快速、绿色、节能、高效是可持续发展的重要目标。因此交通运输装备领域对轻量化的要求较为迫切，轻量化的解决方案除了从结构设计上继续进行优化之外还需要配合新材料、新工艺的应用，而真正批量化的应用主要取决于技术的成熟度及工艺的稳定性，而低成本也是批量化需要考虑的重要因素之一。

新材料主要是采用先进的复合材料，如采用复合材料以及高性能金属材料，同时通过合理的、优化的复合结构设计可以实现最后的轻量化设计与降成本的双重目标。因此，实现交通领域的轻量化目标应主要从4方面进行：①发展自动化、低成本复合材料设计及制造工艺；②发展轻量化复合结构设计技术；③建立交通装备领域轻量化发展进程，形成顶层规划；④建立交通装备领域指标及标准化体系。

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