为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入90年代后，西方的战斗机无一例外地大量采用碳纤维复合材料结构，用量一般都在25％以上，有的甚至达到35％，结构减重效率达30％。应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。
先进碳纤维复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳、各向异性和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪60年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天4大材料之一。随着碳纤维材料性能和制造技术的不断改进，碳纤维复合材料未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占有重要地位。
无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。为满足采购政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求，为尽可能地降低结构重量、提高燃油装载量，无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用碳纤维复合材料。以波音公司的X-45A 为例，除机身的龙骨、梁和隔框采用铝合金外，其余的机体结构都是由碳纤维复合材料制成。诺斯罗普?格鲁门公司的X-47A的机体除一些接头采用铝合金外，整个机体几乎全部采用了碳纤维复合材料。
航空工业中制备复合材料制件的主要要求为：可支付得起；高度自动化；好的质量控制；降低模具成本及缩短生产周期。为了达到这些要求，航空工业正着眼于：编织技术；先进的铺带技术；非热压罐技术；注射工艺；先进的固化工艺；全质量概念及热塑性工艺。本文主要针对其预形件制造技术及零件成形技术进行讨论。
预成形体及蜂窝夹芯结构制造及应用技术
目前复合材料预成形体的制造技术主要有以下几种：
（1） 三维机织
该工艺目前已经广泛用于复合材料工业，主要用于生产单层、宽幅织物，作为复合材料的增强体。三维异型整体机织技术是国外上世纪80年代发展起来的高新纺织技术，它创造了一类新的复合材料结构形式。采用三维异型整体机织技术制造的复合材料制件具有整体性和力学的合理性两大特点，是一种高级纺织复合材料。三维异型整体机织技术的突出特点是纺织异型整体织物，如T形、U形、工形、十字形等型材和圆管等，灵活的机织工艺还可以创造出许多新的复杂形状织物。
（2） 缝合技术
缝合织物增强复合材料是采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材料。它通过引用贯穿厚度方向的纤维来提高抗分层能力，增强层间强度、模量、抗剪切能力、抗冲击能力、抗疲劳能力等力学性能，从而满足结构件的性能需求。
到目前为止，大部分的缝合复合材料结构的开发项目都是以美国的NASA为主进行的。其中最著名的是利用缝合技术制造的复合材料机翼，其中采用了波音公司开发的28m长的缝合机制造飞机机翼蒙皮复合材料预成形体。该缝合机能够缝合超过25mm厚的碳纤维层，缝合速度达3000针/分。除了缝合蒙皮预成形体外，还可缝合加强筋。缝合完成后采用RFI 技术进行加热和加压。这样生产出的结构件相对于同样的铝合金零件重量减少25%，成本降低20%。
在欧洲，EADS公司也开发了该技术，利用该技术首先制造的零件是A380后机身压力隔框，该材料为干态碳纤维预成形体，比粘性的预浸料较易处理。每片复合材料使用自动缝合机连接在一起，可靠性和可重复性好。采用的缝合机是几种长度的碳纤维织物并排铺放在长和宽都为8m 的台面上。缝合头由一个金属横梁带着前后移动，曲形针缝合材料的速度达到每分钟100针。工程师使用一种特殊的曲形针能够实现单边缝合，因而可以连接任何长度的材料。连接后的后压力隔框板成为一块“毯子”。接着，“毯子”放在一个模具上被卷起来再铺开，看起来像一个倒扣的大碗，为了获得必要的强度，6块这样的“毯子”按不同方向交替铺叠。预成形体的叠层板缝合在一起，然后将纤维板和树脂一起放在热压罐里在真空状态下加热加压熔化，最后固化。由于整个过程自动化程度较高，因此成本低且可靠。
缝合复合材料具有良好的层间性能、成本低、效率高，且可设计。缝合还可代替复合材料传统的机械连接方法，从而提高整体性能。因此有望用于大型整体复杂结构件制造，特别是可用于大型军用运输机的机体结构，减轻重量和降低成本。该技术的关键技术包括：专用设备的研制以及缝合工艺。
（3） 编织
编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂形状的预成形体，但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制。在航空工业，目前该技术主要集中在编织的设备、生产和几何分析上，最终的目的是实现完全自动化生产，并将设备和工艺与CAD/CAM进行集成。该工艺技术一般分为两类，一类的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。
传统的二维编织工艺能用于制造复杂的管状、凹陷或平面零件的预成形体，它与其它纺织技术相比成本相对较低。它的研究主要集中在研发自动化编织机来减少生产成本和扩大应用范围。它的关键技术包括质量控制、纤维方向和分布、芯轴设计等。它在航空工业的应用包括制造飞机进气道和机身J 型隔框。该技术通常与RTM和RFI技术结合使用，另外也可以与挤压成形和模压成形联合使用。其应用水平在洛克希德?马丁公司生产F-35战斗机进气道制造中最能体现其先进性，加强筋与进气道壳体是整体结构，减少了95% 的紧固件，提高了气动性能和信号特征，并简化了装配工艺。为了克服二维编织厚度方面强度低的问题，开发了三维编织技术，为制造无余量预成形体提供了可能。但是该技术同样受到设备尺寸限制。
目前，一般的编织设备只能生产小于100mm截面的预成形体，而飞机零件的大型化则需要大尺寸且昂贵的编织机。该技术虽然从60年代就已发展起来，经历了四步编织、二步编织到多层互锁编织技术。随着三维编织机的发展，其在飞机制造的未来仍具有很大应用潜力。三维编织的C、J、T板材和I型梁、连杆、机体大梁、F型机身隔框、机身筒形件等都已得到验证。
（4） 经编
针织在航空航天工业的应用很有潜力。而采用经向针织技术，并与纤维铺放概念相结合，制造的多轴多层经向针织织物一般称为经编织物。这种材料由于不弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。经编技术可以获得厚的多层织物且按照期望确定纤维方向，由于不需要铺放更多的层数，极大提高经济效益。国外目前已经能够在市场上获得各种宽幅的碳纤维和玻璃纤维经编织物。这种预成形体有两个优点：一是与其他纺织复合材料预成形体相比成本低；二是它有潜力超过传统的二维预浸带层压板，因为它的纤维是直的，能够在厚度方向增强从而提高材料的层间性能。但是目前限制其应用的主要原因是原材料成本高以及市场化程度不够。国外航空航天工业部门正在研究将这种技术用于次承力和主承力构件，已经在飞机机翼桁条和机翼壁板上进行了验证，预计未来将在飞机制造中广泛应用。
针对以上预成形体制造技术，国外近年还开展了多种研究，如美空军实施复合材料结构斜织预成形体开发计划，取消铺层工序，以降低加工整体复合材料结构的复杂程度及成本。
（5） 针织
针织用于碳纤维复合材料的增强结构始于上世纪90年代。由于它的方向强度、冲击抗力较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有很大的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构件。目前国外已生产了先进的工业针织机，能够快速生产复杂的近无余量结构，而且材料浪费少。用这种方法制造的预成形体可以加入定向纤维有选择地用于某些部位增强结构的机械性能。另外，这种线圈的针织结构在受到外力时很容易变形，因此适于在复合材料上成形孔，比钻孔具有很大优势。但是它较低的机械性能也影响了它的广泛应用。
（6） 穿刺
穿刺是碳纤维复合材料结构三维加强的一种简单方法，在几方面优于缝合技术。但是它不能用于制造预成形体。在这个工艺中利用薄的削棒以正确的角度在固化前或固化时插入二维的碳纤维环氧复合材料层板中，从而获得三维增强复合材料结构。Z向削棒可以是金属材料（一般是钛合金），也可采用非金属材料（一般采用碳纤维环氧复合材料）。复合材料的削棒直径一般是0.25mm和0.5mm。将削棒插入的方式有两种，一是采用真空袋热压的方法，二是采用超声技术。真空袋热压法更适合于相对大或无障碍部位进行Z向结构加强，而超声法则对难到达部位或局部需要Z向加强的结构部位更为有效。另外，超声法还可利用金属削棒插入已固化的复合材料中实现分层复合材料的修理。
穿刺技术与缝合技术的出现和应用极大改进了复合材料的断裂韧性，意味着复合材料能够承受更高冲击强度和剥离应力。事实上，Z向增强技术已用于GE90发动机风扇叶片，对强度要求的部位进行加强。在飞机上，该技术用于泡沫夹芯蒙皮结构，是传统上采用的铝蜂窝结构的挤压强度的3倍。该技术比缝合技术更具发展潜力，主要是因为其节省了高成本的缝合机，尺寸不受限制，特别是能够进行局部结构的加强，因此是未来飞机机体应用的关键技术。
目前主要开展纤维束排列布局的设计、编制工艺过程的动态模拟，实现三维异型整体机织的自动化、提高三维机织复合材料的质量和生产率、加速三维异型整体机织复合材料的发展和推广应用。国外还利用三维机织技术在飞机和发动机的其它结构上进行了验证，如飞机的T型框、带加强筋的壁板、发动机安装架等，最先进的是在Scramjet发动机原型机上应用了三维机织蜂窝夹芯复合材料燃烧室，材料为陶瓷基复合材料，其采用三维机织的最大益处是形成整体燃烧室结构，解决了由一般制造方法带来的连接和泄漏问题。
（7） 层板及蜂窝结构制造技术
纤维增强金属层板（FRML）是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改变FRML的性能，以用于不同地方。现在的FRML主要使用铝合金薄板。由于使用铝锂合金可提高FRML的比刚度，使用钛合金可大大可提高FRML的耐温性，所以以铝锂合金或钛合金为基的FRML也在考虑和研究中。FRML中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维，它们各自与铝合金板组合后可构成三种性能不同的FRML，分别称为GLARE、ARALL和CARE。如今，FRML多指这三种材料。纤维预浸料用的胶主要是热固性的环氧树脂胶，也可使用热塑性塑料如PEEK、聚苯硫醚和聚酰胺等取代热固性树脂胶。胶接蜂窝夹层结构也是一种特殊的结构用复合材料，它把蜂窝开关的夹芯材料夹在两块面板之间并用胶粘剂粘接。因为具有良好的比强度和比刚度，因此在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当广泛的应用前景。
这些技术虽然民用更为广泛，但在军用飞机上的应用潜力也很大。如A380在复合材料成熟技术支撑下，除碳纤维复合材料之外，空客还选定玻璃纤维增强的铝合金层板Glare来制造27块机身壁板。这一技术是A380 大型运输机将大范围地采用创新材料的一个关键里程碑，StorkFokker公司的工厂已开始使用新型加工工艺大批量地生产该机机身壁板。被称为Glare 的材料，是一种短玻璃纤维增强铝合金，这种材料是由铝合金薄板与环氧树脂玻璃纤维夹芯粘接在一起形成的金属和复合材料交叠结构。Glare大约比铝合金轻25%，有更好的抗疲劳强度和抗冲击性。Glare 材料的一个优点是成形零件可以像铝合金构件一样铆接到飞机上。事实上，Glare材料可以如同整体铝合金件一样钻孔和切削，因此可以使用同样的工具进行修理。Glare材料的使用将使A380飞机减重近1t（800kg），上机身壁板使用面积达470m2，共使用27块Glare壁板，最长的达11m。生产厂扩建了12000m2以适应这种材料的制造，目前已经制造了机身壁板。但是Glare板比铝合金昂贵，但如果成形为零件，如双曲度壁板，则最终成本与拉伸铝合金壁板几乎一样。这一技术在大型军用运输机上具有广泛的应用前景。
