复合材料整体成型关键技术现状分析研究

复合材料整体成型关键技术现状分析研究

摘要:复合材料具有减轻结构重量,适合整体成型,提升结构安全性,降低生产成本等诸多优势,目前复合材料已经成为航空工业的研究热点,未来航空市场的竞争,很大一部分也是先进复合材料应用的竞争,目前在这块市场上,我国的基础实力较为薄弱,而发达国家对于先进的复合材料技术对我国高度保密,因此充分利用专利信息,研究复合材料整体成型技术的发展现状具有非常重要的意义。本文从专利的角度对航空复合材料整体成型技术的应用进行了分析,并从几个关键技术点上进行重点专利分析,以期能给复合材料的研发应用提供指导。

关键词:复合材料自动铺放液态成型热压罐真空袋挤压成型

复合材料整体成型技术正广泛的应用在航空航天及其他技术领域,由于复合材料的整体成型具有降低制造成本,减轻结构重量,提升航天器的经济环保性等诸多优点。飞机上的复合材料使用量已经成为衡量其先进性的重要标准[1]。

飞机设计领域向来有为减轻每1g重量而奋斗的原则,因此发展复合材料成型技术的符合民机技术发展的趋势,也反映了目前低碳节能,绿色环保的飞机设计理念的要求。

目前如空客公司的A350,波音公司的B787的复合材料的用量已经达到了50%。当前各国都将先进复合材料制造技术作为研发重点,

而从“产品未动,专利先行”的角度出发,大量复合材料技术都可以在专利文献中找到,因此积极利用专利信息开展现状分析,挖掘具有借鉴价值的专利具有十分积极的意义。

1 复材整体成型技术发展概况

现代先进复合材料起源于20世纪60年代,70年代复合材料开始应用在飞机结构上,复合材料的加入对飞机结构轻质化、模块化起着中重要的作用。近年来先进复合材料在现代飞机上的用量不断扩大,已经成为铝,钢、钛之外的第四大航空结构材料[2]。复合材料整体成型技术经过了几个阶段的发展,已经逐渐从次承力件过度到主承力件,波音空客两大民机巨头在民机市场竞争日趋激烈,在复合材料方面也不断抢占技术制高点,推出的机型中无一不把提高复合材料用量作为经济性,先进性的象征性指标。从专利领域来看,近几年两大航空企业的复合材料相关专利的申请量也在不断剧增,波音公司凭借其一直以来在复合材料应用领域的雄厚基础,申请了大量极具技术价值的基础专利,同时针对这些基础专利不断进行改进形成新的专利申请。空客公司作为后起竞争者凭借欧洲航空工业在复材领域的雄厚基础,不断进行大胆创新,在该领域申请的大量的专利也大有后来居上的态势。可见现代民机企业都在不遗余力的提升复合材料的研发力度。

当前复合材料的成型技术主要包括真空袋-热压罐成型技术,自动

铺放技术(AFP/ATL),液态成型技术(LCM、RTM/RFI),及拉挤成型技术(Pultrusion)、层合板成型技术等。

本文所分析的专利均以德温特数据库作为检索源,关键词取复合材料+树脂+预浸料+层压板+纤维,并在德文特改写的实用性字段设置为飞机,加上专利所在的IPC分类号,分类号如表1所示,年代从1960年开始,共检索出专利11160篇,去除同族专利之后还剩下3656篇。所有的专利分析将是针对这3656条专利进行。

2 专利申请态势分析

对所检索到的专利文献进行国别统计如下:

从图1可以看出美国拥有的专利文献数量最多,其次为日本和欧洲。可见美,日,欧三个地区是复合材料技术的主要产出地,研发较为活跃。虽然我国近年来也已经开展了航空复合材料的技术研究开发,申请了一些专利,但是相比世界发达国家,无论是专利的申请数量,还是专利的技术价值上仍然有较大的差距。

为了对专利的申请人进行分析,对专利申请人进行统计作表如下: 从表2分析,目前波音,欧洲宇航集团(波音的母公司),以及日本的东丽公司均在复合材料的应用研发及技术投入上有较大的力度,其中东丽公司是目前民机碳纤维的主要制造商,从其他的公司来看三菱人

造丝,通用公司,富士重工等也有大量的专利申请,这与这几家企业也与民机制造企业积极合作态势是吻合,从前10位申请人的专利同族类型以及之前国别来看,目前复合材料的竞争还是存在于美日欧之间。我国企业在复合材料的生产制造方面还刚刚起步,和国外先进企业还差距较大,因此当前通过专利技术积极研究现先进复合材料成型技术,对成熟技术进行引进吸收再创新,不断提升我国的复合材料技术水平起点至关重要。

3 关键技术现状及典型专利分析3.1 自动铺放技术(AFP/ATL)

自动铺放技术是工业发达国家近30年来发展和广泛应用的自动化制造技术,包括自动铺带技术和自动铺丝技术.这两项技术的共同优点是采用预浸料,并能实现自动化和数字化制造,高效高速.自动铺放技术特别适用于大型复合材料结构件制造,在各类飞行器,尤其是大型飞机的结构制造中所占比重越来越大。通过德温特数据库,共检索到自动铺放技术专利345条,经过筛选排查,选出与自动铺放技术相关专利94条,经分析可知,波音、空客、丰田、阿莱尼亚(Alliant)公司以及Cincinnatic公司均有较多的专利申请。其中主要涉及到铺放设备、成型工艺、铺放头结构、铺带数字化控制等方面专利,从中可以看到BOEING公司涉及到的复合材料成型工艺方面的专利较多,而Alliant,Cincinnatic主要涉及铺放装置的设备专利、。如波音公司的圆周形状机身的成形方法(US7503368),其引证其他专利的次数达到了

138次,笔者从中判断,该专利是一种集成度较高的再创新技术。同时波音公司还在铺带头的热固化装置(US20080157437), 铺丝头光电带料缺陷检测(US6799619)。以及带有压实铺丝表面的装置(US6390169),申请了相应专利。

同时其在复合材料成型的无损探测方面申请了专利(US7576850、US7039485),以及自动铺带机的数字化控制方法(US7643970)也有相关专利。相比其他厂商,波音公司的专利涵盖了自动铺放技术的硬件实现和软件控制两方面,已经具备了完备的专利体系。

从专利的申请时间上来看,波音公司早铺放技术在1978年就开始申请,并在2000年后大有不断增强此方面专利储备的趋势,其中一批的专利申请已经通过国际申请进入中国。这与我国大飞机项目的启动密切相关,由于当前我国的铺放技术设备缺乏,一些可以铺设复杂曲面的精密铺丝设备国外对我国实施限制进口,大部分复杂的铺放制品仍然是采用手工铺放的方式,铺放效率低,这极大的制约了今后我国航空工业的发展,因此我国此方面在引进先进的铺放设备的同时,应加大自主研发的力度,重点利用已有的专利技术开展攻关,选择一些重点突破点发展自主产权的自动铺放技术。

3.2 液态成型技术(LCM)

液态成型技术包括了树脂转移模塑(RTM),及由RTM发展出来的真空辅助成型(V ARTM),树脂模溶渗成型(RFI)等[3]。