復(fù)合材料機(jī)身桶段試驗(yàn)件

C系列復(fù)合材料尾椎壁板

C919機(jī)身球面框

蒲永偉，1987年畢業(yè)于國(guó)防科技大學(xué)，學(xué)士學(xué)位。研究員級(jí)高級(jí)工程師。中航工業(yè)復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)首席技術(shù)專(zhuān)家。現(xiàn)任中航工業(yè)沈飛復(fù)合材料制造中心主任業(yè)務(wù)經(jīng)理兼副主任。長(zhǎng)期從事復(fù)合材料工藝技術(shù)及復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)研究，具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，曾主持C919大型客機(jī)等多項(xiàng)國(guó)家、工信部和中航工業(yè)重大科研項(xiàng)目，在實(shí)踐中培養(yǎng)了一支技術(shù)過(guò)硬的隊(duì)伍，促進(jìn)了中航工業(yè)在復(fù)合材料構(gòu)件制造水平的提升。

《中國(guó)航空?qǐng)?bào)》：在科技發(fā)展迅猛的今天，復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域，您作為復(fù)合材料首席技術(shù)專(zhuān)家，從總體上，認(rèn)為國(guó)內(nèi)復(fù)合材料將向哪個(gè)方向發(fā)展，其情況如何？

蒲永偉：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?fàn)恳こ滩牧险驈?fù)合化、高性能化、功能化、結(jié)構(gòu)—功能一體化和智能化發(fā)展，而先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展就是其中的典型代表之一。自1967年問(wèn)世以來(lái)，其具有高比強(qiáng)度和比模量、各向異性和可設(shè)計(jì)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)界、體育用品界，尤其是在對(duì)重量、性能有苛刻要求的航空航天領(lǐng)域中受到特別的關(guān)注與重視，為改進(jìn)飛行器性能做出了重要貢獻(xiàn)，成為了航空航天四大材料之一。同時(shí)，隨著航空航天的快速發(fā)展，也加快推動(dòng)了復(fù)合材料的發(fā)展。

《中國(guó)航空?qǐng)?bào)》：在當(dāng)今航空工業(yè)領(lǐng)域中，復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)，航空工業(yè)的發(fā)展對(duì)復(fù)合材料零件制造提出了哪些要求？

蒲永偉：1969年，我國(guó)開(kāi)始研發(fā)先進(jìn)復(fù)合材料。1985年，進(jìn)行系統(tǒng)、完整、有計(jì)劃的研究，并進(jìn)行小批量生產(chǎn)。隨著我國(guó)航空領(lǐng)域飛機(jī)設(shè)計(jì)水平的逐步提高和新型復(fù)合材料的不斷出現(xiàn)，復(fù)合材料逐步應(yīng)用于主承力構(gòu)件。當(dāng)前，先進(jìn)復(fù)合材料已在我國(guó)自主設(shè)計(jì)的軍民機(jī)上，包括鴨翼、垂直安定面、水平安定面、升降舵及方向舵等構(gòu)件進(jìn)行批量應(yīng)用，大幅度提高我國(guó)航空復(fù)合材料技術(shù)水平。

“一代飛機(jī)、一代材料、一代工藝”。面對(duì)著復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)多樣化、尺寸大型化的發(fā)展前景，傳統(tǒng)復(fù)合材料構(gòu)件制造工藝已不適應(yīng)我國(guó)航空工業(yè)快速發(fā)展的需要，尤其在國(guó)外對(duì)我國(guó)該類(lèi)型制造技術(shù)進(jìn)行封鎖的情況下，探索符合我國(guó)航空制造業(yè)現(xiàn)狀，滿(mǎn)足發(fā)展需求的技術(shù)方案和新型復(fù)合材料制造工藝，發(fā)展我國(guó)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)是我們急需解決的問(wèn)題。

《中國(guó)航空?qǐng)?bào)》：據(jù)了解，您在航空復(fù)合材料構(gòu)件制造領(lǐng)域取得了優(yōu)異的成績(jī)，如U型多區(qū)域蜂窩夾層復(fù)合材料構(gòu)件制造等，能否請(qǐng)您根據(jù)自身的科研經(jīng)歷，談一下如何突破技術(shù)瓶頸、如何實(shí)現(xiàn)最終的成果應(yīng)用？

蒲永偉：作為一名從事復(fù)合材料領(lǐng)域研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用20余年的科技工作者，我深感責(zé)任重大，帶領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)致力于研發(fā)并驗(yàn)證復(fù)合材料構(gòu)件的新型制造技術(shù)，并將其推廣運(yùn)用到航空領(lǐng)域中，多次成功解決了國(guó)家新研項(xiàng)目急需解決的問(wèn)題，打破了多項(xiàng)國(guó)外對(duì)我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的封鎖，為多類(lèi)型復(fù)合材料構(gòu)件的制造提供了全新的思路，提升了我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)水平。

高性能飛機(jī)需要高效率的結(jié)構(gòu)，采用復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)大規(guī)模使用復(fù)合材料的關(guān)鍵，是當(dāng)代大型飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。目前國(guó)外的大型民機(jī)如波音和空客系列飛機(jī)的機(jī)體復(fù)合材料的用量與日俱增，并實(shí)現(xiàn)在機(jī)翼、機(jī)身等主承力部件的應(yīng)用。

在大型飛機(jī)復(fù)合材料尾椎壁板的研制中，我們研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功突破了大型、雙曲、異形長(zhǎng)桁類(lèi)構(gòu)件整體制造技術(shù)，掌握了一項(xiàng)全新的復(fù)合材料整體共固化制造技術(shù)，并成功應(yīng)用于多型號(hào)軍民機(jī)任務(wù)中大型壁板的制造中。該技術(shù)利用復(fù)合材料、橡膠組合工裝并輔助橡膠氣囊芯模，重點(diǎn)解決了雙曲Ω長(zhǎng)桁工裝制造、蒙皮長(zhǎng)桁定位、芯模脫模和零件表面質(zhì)量不高等技術(shù)難題，生產(chǎn)的構(gòu)件外形尺寸和內(nèi)部質(zhì)量好、工藝操作簡(jiǎn)單而且周期較短。

大型飛機(jī)在舵面、平垂尾整流罩、翼尖等部位的復(fù)合材料制件更多地采用芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，已從平面單塊蜂窩擴(kuò)展到U型多塊蜂窩。這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對(duì)我國(guó)的復(fù)合材料夾層件的制造水平提出了較高要求。對(duì)此，我們研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種整體輔助工裝共固化技術(shù)，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品制造效率、外觀(guān)質(zhì)量和合格率。該工藝適用性強(qiáng)，可用于制造任何形狀的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)人員在蜂窩構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只要考慮結(jié)構(gòu)整體的對(duì)稱(chēng)性，而無(wú)需考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)、外蒙皮的鋪層對(duì)稱(chēng)性，及專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(jìn)行工藝協(xié)調(diào)，確保了在軍民機(jī)生產(chǎn)任務(wù)中蜂窩夾層件的交付。

《中國(guó)航空?qǐng)?bào)》：復(fù)合材料的加工成型是實(shí)現(xiàn)材料應(yīng)用的關(guān)鍵步驟，具有不同力學(xué)、熱學(xué)特性的材料需要不同的加工方法和加工條件來(lái)完成，針對(duì)相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)，我們?cè)诩庸み^(guò)程中開(kāi)創(chuàng)了哪些獨(dú)特的方法？

蒲永偉：復(fù)合材料是由基體樹(shù)脂、增強(qiáng)體和助劑組成的多相體系，其中基體樹(shù)脂通常為雙馬來(lái)酰亞胺、環(huán)氧、酚醛或聚酰亞胺等熱固性樹(shù)脂，增強(qiáng)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(guò)程中，為防止復(fù)合材料制造環(huán)境的復(fù)雜性和非線(xiàn)性多場(chǎng)耦合作用，而產(chǎn)生產(chǎn)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(duì)象，以單元技術(shù)和理論模擬計(jì)算為手段，以達(dá)到零件驗(yàn)收交付條件為基本要求，在綜合評(píng)估生產(chǎn)成本、制造周期、潛在風(fēng)險(xiǎn)等因素的基礎(chǔ)上，優(yōu)化工藝條件，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)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(dá)到生產(chǎn)成本最低、制造周期最短、零件質(zhì)量穩(wěn)定性最高，最終實(shí)現(xiàn)零件制造的利益最大化。對(duì)于目前應(yīng)用最廣泛的真空袋-熱壓罐成型技術(shù)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(guò)程中必然存在偶然性因素，過(guò)分追求每一個(gè)細(xì)節(jié)的完美無(wú)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(chǎn)品加工過(guò)程中做到缺陷可控，必須要建立熱壓罐成型的理論數(shù)學(xué)模型，以特定的制造環(huán)境為研究對(duì)象，區(qū)別對(duì)待主要影響因素和次要影響因素，結(jié)合單元技術(shù)和理論計(jì)算手段，對(duì)零件某一位置的制造結(jié)果做出預(yù)先評(píng)價(jià)。將選定對(duì)象的所有限制條件（即影響因素）分類(lèi)區(qū)別對(duì)待，建立所有的理論上變量的種類(lèi)及相互影響的關(guān)系模型后，利用現(xiàn)有的理論公式來(lái)計(jì)算評(píng)估每個(gè)一級(jí)變量對(duì)零件成型結(jié)果的影響，其評(píng)價(jià)結(jié)果或者現(xiàn)有理論難以準(zhǔn)確計(jì)算的，可以用相近條件下的單元實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證或評(píng)價(jià)。單元技術(shù)和理論計(jì)算共同構(gòu)成了“均衡制造體系”的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。

《中國(guó)航空?qǐng)?bào)》：當(dāng)前，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料構(gòu)件制造水平和情況如何？著眼于未來(lái)的復(fù)合材料構(gòu)件制造，特別是航空領(lǐng)域復(fù)合材料零件制造將面臨哪些亟待破解的難題？

蒲永偉：當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的復(fù)合材料制造業(yè)是一個(gè)以經(jīng)驗(yàn)和主觀(guān)判斷為主要生產(chǎn)手段的粗糙型產(chǎn)業(yè)，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)必然是以理論代替經(jīng)驗(yàn)，以客觀(guān)計(jì)算代替主觀(guān)判斷，輔以表征測(cè)試手段的發(fā)展，最終成為理論預(yù)測(cè)先行、過(guò)程規(guī)范操作、實(shí)時(shí)可視監(jiān)控的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)。目前，沈飛公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)建立復(fù)合材料構(gòu)件制造單元技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，嘗試多元化分析手段，采用數(shù)字影像技術(shù)監(jiān)控制造全過(guò)程用以建立并追溯構(gòu)件的全程制造歷程。沈飛公司與大連理工大學(xué)等六家單位于2013年聯(lián)合申報(bào)，并已實(shí)施的2014年國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目——“大型航空復(fù)合材料承力構(gòu)件制造技術(shù)基礎(chǔ)研究”，對(duì)復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)件制造具有非常重要的指導(dǎo)意義。其研究?jī)?nèi)容囊括了復(fù)合材料從原材料到成形、固化、檢測(cè)，再到裝配的整個(gè)制造過(guò)程的基礎(chǔ)研究工作，可以對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)形成反饋。

《中國(guó)航空?qǐng)?bào)》：在您看來(lái)，我國(guó)在復(fù)合材料的應(yīng)用與構(gòu)件的加工方面，與國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比主要的差距在哪里？我們應(yīng)該從哪些方面來(lái)縮小差距？

蒲永偉：目前，以波音、空客等世界著名飛機(jī)公司為代表的復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用及加工水平已非常成熟，而國(guó)內(nèi)復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用還相對(duì)落后。要想進(jìn)一步在機(jī)身、中央翼盒等部位應(yīng)用，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造技術(shù)方案已不能滿(mǎn)足工藝的要求。面對(duì)這種差距，一要對(duì)我國(guó)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的制造環(huán)境有清晰的認(rèn)知，要識(shí)別出我們?cè)诓牧象w系、加工能力、裝備條件等方面與業(yè)界領(lǐng)先水平之間的差異。二要觀(guān)察全球產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，充分利用民機(jī)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)等機(jī)會(huì)，主動(dòng)學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)及制造理念、管理方法及技術(shù)手段，以提升我國(guó)復(fù)合材料制造產(chǎn)業(yè)的整體水平，拉動(dòng)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的技術(shù)飛躍。三要堅(jiān)持走自主創(chuàng)新的道路，立足已有的制造環(huán)境，在工藝設(shè)計(jì)上全面融入“均衡制造”的思想，克服基礎(chǔ)材料、裝備條件等方面的短板，充分發(fā)揮自身專(zhuān)長(zhǎng)，提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。（通訊員 吳加舜）