如何對復合材料航空制件成型過程進行審核

董化宇

（質量審核及管理體系認證中心，北京 100028）

復合材料就是采用兩種以上異質、異形、異性的材料通過復合的途徑形成一種新材料。這樣可以借助各組成材料特性的互補作用使復合材料具有出色的綜合性能。

復合材料可分為結構復合材料和功能復合材料。目前，結構復合材料占絕大多數。在結構復合材料中主要含有增強體與基體兩部分。增強體承擔結構使用中的各種載荷，而基體則起到粘接增強體的輔助作用。結構復合材料種類有聚合物基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、碳基復合材料、水泥基復合材料等。

聚合物基復合材料是指聚合物作為連續相和增強材料共同構成的一類復合材料。在所有類型的復合材料中，聚合物基復合材料的用量最大，占復合材料總用量的90%以上。按照基體的特性，聚合物基復合材料可分為熱固性樹脂基復合材料和熱塑性基復合材料兩大類。按增強材料的種類又可分為纖維增強樹脂基復合材料和顆粒增強樹脂基復合材料等類別。在聚合物基復合材料中，纖維增強熱固性樹脂基復合材料的地位最為重要，籠統地說到聚合物基復合材料時通常是指這類復合材料。

與傳統的金屬和無機非金屬材料相比，纖維增強熱固性樹脂基復合材料具有比強度和比模量高、各向異性和可設計性好、抗疲勞性良好、尺寸穩定、成型工藝性好、耐化學腐蝕、電性能好、減振性好、熱導率低等優點。

由于纖維增強熱固性樹脂基復合材料的一系列優點，它已在航空航天、能源工程、生物工程、海洋工程、電子電氣、交通運輸、建筑、體育休閑等方面得到了廣泛應用。

在航空領域，近年來，纖維增強熱固性樹脂基復合材料在飛機上所占比例越來越大。目前主要用來制造飛機的雷達罩、機身、機翼等重要的航空制件。

1 纖維增強熱固性樹脂基復合材料的特點和成型要求

纖維增強熱固性樹脂基復合材料制件的成型與傳統金屬制件的制造有很大不同，具體特點有如下幾個方面。

1.1 材料成型和制件成型是同時完成的，復合材料的生產過程也就是復合材料制件的制造過程。

1.2 在復合過程中，增強體與基體相粘接并固定于基體中，其物理、化學性質及形態通常不變化，但基體材料在復合材料的成型過程中要經歷從狀態到性能的變化。

1.3 在增強體材料和基體間存在界面，界面結合情況對復合材料的性能有很大的影響。

由于以上特點，對纖維增強熱固性樹脂基復合材料制件成型工藝技術有以下要求：

能提供基體材料從原料狀態到最終狀態轉化的合適條件，并實現與增強體的界面結合，不產生氣泡，或能將所產生的氣泡順利排出，不致形成復合材料空隙。

增強體表面應能實現與基體的界面結合，并能按預定方向和層次排列，均勻分布于基體材料中，形成致密的整體。在工藝過程中對增強體的機械損傷和濕熱影響要減到最低限度。

為制件提供要求的尺寸、形狀和表面質量。

2 纖維增強熱固性樹脂基復合材料航空制件的成型方法

纖維增強熱固性樹脂基復合材料主要由基體和增強體兩部分組成?；w有酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、雙馬樹脂、聚酰亞胺樹脂等；增強體有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等。

纖維增強熱固性樹脂基復合材料航空制件的主要成型方法有熱壓罐成型、模壓成型、樹脂傳遞（注塑）成型、纏繞成型等。

熱壓罐成型：用真空袋密封復合材料坯件組合件放入熱壓罐中，在加熱、加壓的條件下進行固化成型復合材料制件的方法。

模壓成型：將預混料或預浸料裝入模具中，在一定的溫度、壓力下固化成型復合材料制件的方法。

樹脂傳遞（注塑）成型：將纖維預制體預先裝入模具內，再注入呈液態的樹脂體系，經固化成型復合材料制件的方法。

纏繞成型：在控制張力預定線型的條件下，浸有樹脂的連續纖維、織物或預浸紗帶，以一定方式連續纏到芯?；蚰＞呱铣尚蛷秃喜牧现萍姆椒?。

3 對纖維增強熱固性樹脂基復合材料航空制件成型過程的審核

影響纖維增強熱固性樹脂基復合材料航空制件（以下簡稱復合材料航空制件）成型過程質量的因素有工作環境、材料、設備、儀表、模具、工藝方法、檢驗試驗、人員等。因此，對復合材料航空制件成型過程的審核也應圍繞著這些因素進行。

3.1 工作環境

復合材料航空制件成型區域分特殊工作間和一般工作間兩類。樹脂（膠液）配制、預浸料制備、預浸料的剪裁與鋪貼、工藝組合和膠接組裝應在特殊工作間進行。其它作業可在一般工作間進行。

特殊工作間的環境要求：溫度（22±4）℃，相對濕度30%～65%，空氣清潔度≥10μm的塵粒不超過10個/l；室內對應于室外應保持（10～40）Pa的正壓力差；室內的照度應達到200～300lx。

一般工作間的環境要求：溫度（22±4）℃，相對濕度30%～65%，室內有良好的通風設施。

審核時應關注：樹脂（膠液）配制、預浸料制備、預浸料的剪裁與鋪貼、工藝組合和膠接組裝是否在特殊工作間進行；特殊工作間、一般工作間的環境是否滿足規定要求；特殊工作間的入口是否設有風淋室或其它除塵設施，空氣凈化裝置是否定期檢查、維護；進入特殊工作間的壓縮空氣是否經過除油、除水處理；特殊工作間內的工作臺、地板、設備是否每天用吸塵器清潔一次，墻壁、天花板、燈具等是否至少每月清潔一次。

3.2 材料

用于制造復合材料航空制件的預浸料、纖維、樹脂、固化劑及其它添加劑等原材料，應按相應的技術標準進行進貨檢驗。檢驗合格的原材料按技術標準規定的條件貯存。超過貯存期的預浸料、樹脂、固化劑及其它添加劑，應按相應的技術標準規定處理。

預浸料、纖維、樹脂、固化劑及其它添加劑等原材料應通過鑒定合格才能使用。生產廠家或生產地點變動以及重大工藝變化后供應的原材料，應通過驗證試驗后方可使用。

用于制造復合材料航空制件的工藝輔助材料，如真空袋膜、隔離膜、吸膠布、導氣膜等，應滿足成型工藝的要求。主要的工藝輔助材料應進行進貨檢驗。檢驗合格的工藝輔助材料按貯存要求入庫貯存。超過貯存期的工藝輔助材料經重新進行工藝試驗合格后可繼續使用。新研制的工藝輔助材料或改變生產廠家的工藝輔助材料，應經工藝試驗合格后方可使用。

審核時應關注：原材料/工藝輔助材料是否按規定進行了進貨檢驗；貯存條件是否符合要求；超期的原材料/工藝輔助材料是否按規定處理；新的原材料/工藝輔助材料是否經過鑒定/試驗合格后才使用；生產廠家變動后是否重新進行鑒定/試驗。

3.3 設備、模具及儀表

復合材料航空制件成型過程使用熱壓罐、熱壓機等成型設備，同時還使用模具及壓力表、真空表、熱電偶、天平等測量儀表。

熱壓罐罐內任意兩點溫度差應不大于10℃，空氣升溫和降溫速率應在（0.3～5）℃/min范圍內可調，熱壓罐溫度的控制精度應達到±3℃。熱壓罐溫度均勻性應每年檢定一次，溫度控制系統應每年校驗一次。

熱壓機加熱板有效使用面積內任意兩點之間的溫度差應不大于10℃，降溫速率應在（1～10）℃/min范圍內可調，熱壓機的上下壓板應水平并互相平行，熱壓機應采用熱電偶多點測溫，壓力波動值應在±10%的范圍內。

制件成型模具需通過溫度均勻性檢查，對于熱壓罐成型工藝和樹脂傳遞（注塑）成型工藝所用的模具還需通過氣密性檢查合格后，方可投入試用。在完成首件制件鑒定，所用的模具方可正式投入生產使用。當模具有較大修改、制件有較大改動、成型工藝有較大變化及關鍵工藝輔助材料作了更換時，應重新進行試模檢查。

審核時應關注：熱壓罐、熱壓機的性能是否滿足規定的要求。熱壓罐的溫度均勻性、控溫精度是否定期檢定或校驗；模具試用前應進行溫度均勻性、氣密性檢查并經過首件鑒定后才能正式用于生產。發生較大變化時，模具是否重新試模；壓力表、真空表、熱電偶等控制儀表的精度是否滿足工藝要求并定期檢定。

3.4 工藝方法

復合材料航空制件的成型過程有樹脂配制、模具準備、剪裁、鋪貼、纖維纏繞（纏繞成型）、樹脂注入（樹脂傳遞（注塑）成型）、工藝組合及封裝（熱壓罐成型）、固化等工序。后續加工有制件的修邊、切割、制孔、裝配連接等工序。

審核時應關注以下幾個方面。

3.4.1 樹脂是否按樹脂配制工藝說明書進行；配制樹脂容器是否符合工藝說明書的規定（不允許使用含蠟的紙質容器）；超過使用期的樹脂禁止使用。

3.4.2 是否使用工藝說明書規定的鋪貼專用模具、成型模具；鋪貼專用模具上的隔離膜或脫模布是否標出鋪貼的外形尺寸和鋪層方向角度線；成型模具是否按工藝說明書的規定準備，包括涂脫模劑、鋪貼隔離膜等。

3.4.3 從冷藏間取出的預浸料是否待密封袋內溫度達到室溫后方可啟封取出預浸料進行剪裁；預浸料剪裁時，不應損傷隔離紙和保護膜，是否將它們一直保持到鋪貼工序；剪裁使用的工作臺、剪裁樣板、尺子、刀子等是否干凈，不允許有油污或其它雜質污染。剪裁時不宜使用塑料或木材制成的剪裁樣板和尺子。

3.4.4 預浸料、干織物鋪貼時，是否逐層鋪貼、逐層檢查、逐層記錄；每層預浸料上的隔離紙和保護膜撕下后，是否按順序放置并及時按鋪層數清點，防止被帶入鋪層內；預浸料鋪貼過程中，每次壓實的時間、溫度和加熱壓實的次數是否符合工藝要求；干織物鋪貼時，是否每鋪一層后用適當方法固定，防止其相互滑動、錯位。

3.4.5 纏繞成型時，纖維纏繞工藝參數，如線型、纏繞角、纖維張力、樹脂槽溫度等是否符合工藝要求；纏繞機纖維張力波動值是否在±10%范圍內。

3.4.6 在樹脂傳遞（注塑）成型時，注入樹脂的工藝參數，如盛樹脂容器和管道的溫度、模具的溫度、模具內真空度、注入壓力、注入速度等是否符合工藝要求。

3.4.7 熱壓罐成型時，使用的工藝輔助材料是否符合工藝說明書的規定；制件坯料在模具中的位置是否正確；真空密封的真空度是否低于－0.092 MPa；停止抽氣后，10 min真空度下降是否大于0.02 MPa。

3.4.8 固化成型時，是否在制件邊緣處放置熱電偶；當制件的厚度變化比較大時，在制件的最厚部分和最薄部分是否分別放置熱電偶；固化成型時，加熱升溫速度、冷卻降溫速度是否在規定的范圍內；在熱壓罐成型或熱壓機成型時，是否按工藝要求控制加壓點；固化參數，如溫度、壓力、時間、加壓時機等是否符合工藝說明書的規定；纖維纏繞工藝中，纏繞結束后，在室溫或加熱固化時，樹脂完全凝膠之前是否使制件繼續保持旋轉狀態。制件從模具中取出進行后固化時，后固化的加熱升溫速率、冷卻降溫速率是否符合工藝要求。

3.4.9 制件的修邊、切割是否使用專用切割工具和合理的切削參數；制件在制孔時，是否采取措施防止出現分層和開裂。

3.4.10 制件裝配時，是否在預裝配確認滿足要求后再進行裝配連接；機械連接裝配時出現的間隙，是否按規定用墊片墊平；膠接連接裝配時，是否有工藝要求的膠接間隙，以保證膠層的厚度；膠接固化是否按工藝要求實施。

3.5 檢驗試驗

復合材料航空制件應進行外觀目視檢查、外形尺寸測量、無損檢測（超聲波檢測、X射線檢測等）、隨爐件性能測試（彎曲強度和模量、層間剪切強度等）。

審核時應關注以下方面。

3.5.1 是否規定了外觀目視檢查的內容；是否規定了外形尺寸測量的內容、測量設備及測量方法；外觀目視檢查、外形尺寸測量結果是否記錄；隨爐件的性能測試是否符合規定的要求；是否按規定的方法進行性能試驗。

3.5.2 是否有超聲波、X射線檢測工藝卡；無損檢測環境是否符合要求（如溫度、濕度、振動、強磁、高頻、灰塵、照度等）；超聲波檢測儀、探頭的性能是否符合規定要求并定期校準/檢查；超聲波檢測使用的試塊（標準試塊、對比試塊、參考試塊）是否滿足規定要求；超聲波檢測時是否使用規定的耦合劑；X射線檢測所使用的膠片、增感屏、暗室、膠片處理溶液、像質計等是否滿足規定的要求；用于X射線檢測的X射線機、觀片燈、光學密度計等的性能是否滿足規定要求；是否按超聲波、X射線檢測工藝卡的規定進行無損檢測；

3.6 人員

從事復合材料航空制件成型的操作人員、檢驗員則必須經過相應的專業技術培訓，并取得相應的資格。

審核時應關注：操作人員、檢驗員是否經過專業培訓并持證上崗；在停止復合材料制件制造操作二年以上、工藝或工藝裝備有重大改變、出現操作事故等情況下，是否重新考核，取得合格證后方可進行操作；從事超聲波、X射線檢測等無損檢測人員是否取得相應的資格等級證書，資格等級證書是否在有效期內，是否從事與其資格等級證書相適應的無損檢測工作。

另外，復合材料成型過程是需要確認的特殊過程，對過程參數、方法、工藝材料、工作環境、設備、人員等應進行確認（鑒定），以證明能制造出符合要求的復合材料航空制件。因此，在對復合材料航空制件成型過程進行審核中，除了對以上內容進行審核之外，還應關注復合材料成型過程是否進行了確認（鑒定），確認（鑒定）的結果是否滿足要求。這樣才能比較完整和系統地對復合材料航空制件成型過程進行審核。

（編輯：雨晴）