【編者按】采用先進(jìn)復(fù)合材料制造的應(yīng)變能桿依靠收攏儲(chǔ)存的應(yīng)變能可自動(dòng)伸展形成可起支撐作用的超長(zhǎng)構(gòu)件狠楞，這種構(gòu)件具有收攏體積小和展開(kāi)剛度大的優(yōu)點(diǎn)暮的，便于航天器發(fā)射時(shí)攜帶是偷。特別是衛(wèi)星天線和星際探測(cè)器的太陽(yáng)帆尺寸要求越來(lái)越大，復(fù)合材料應(yīng)變能桿因其突出優(yōu)勢(shì)在這些超大展開(kāi)部件上有著廣泛的應(yīng)用前景纬霞。目前凌埂，單根應(yīng)變能桿的長(zhǎng)度已達(dá)30多米，未來(lái)將更長(zhǎng)诗芜，這就對(duì)其制造技術(shù)提出更高的要求瞳抓，復(fù)合材料連續(xù)自動(dòng)化成型技術(shù)將成為其工程應(yīng)用的重要的解決方案之一。

　　隨著人類探索宇宙深度的增加绢陌，衛(wèi)星挨下、飛船和星際探測(cè)器等航天器的天線尺寸要求越來(lái)越大熔恢。此外脐湾，太陽(yáng)帆（光帆）已被視為進(jìn)行深空探測(cè)和星際探測(cè)的理想推進(jìn)機(jī)構(gòu)。太陽(yáng)帆是以太陽(yáng)的輻射壓做為探測(cè)器的推進(jìn)力叙淌，由于輻射壓非常小隶秒，所以要求太陽(yáng)帆的面積非常大，大型太陽(yáng)帆的面積要求10000多m2摆咽。航天器的天線結(jié)構(gòu)和太陽(yáng)帆在發(fā)射到預(yù)定軌道之前是收緊在一個(gè)較小容器中媒敲，等發(fā)射到預(yù)定軌道后再進(jìn)行展開(kāi)。早期的衛(wèi)星天線是采用機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行展開(kāi)的种功，結(jié)構(gòu)復(fù)雜透鹊，重量較大。20世紀(jì)80 年代以來(lái)共吞，美國(guó)召期、歐洲、日本等相繼開(kāi)始研究利用薄膜技術(shù)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)可收攏和展開(kāi)的大型化和輕量化空間結(jié)構(gòu)铡急。

　　20世紀(jì)90年代编漆，歐洲航天局（ESA）和德國(guó)宇航中心（DLR）提出采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)變能桿作為桅桿，對(duì)角撐開(kāi)太陽(yáng)帆薄膜的太陽(yáng)帆總體方案径露，并進(jìn)行了20m×20m太陽(yáng)帆的地面展開(kāi)試驗(yàn)（圖1）跌蛔。復(fù)合材料應(yīng)變能桿是由兩個(gè)Ω形復(fù)合材料應(yīng)變能構(gòu)件（圖2 （a））膠接而成，可以在外力作用下壓扁并收卷成特定的形狀（圖2（b））摹菠，在自由狀態(tài)下時(shí)依靠收卷變形儲(chǔ)存的應(yīng)變能盒卸，可展開(kāi)成桿結(jié)構(gòu)（圖2（c））骗爆。

　　近年來(lái)，隨著波音787蔽介、空客350等大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的航空器陸續(xù)投入商業(yè)運(yùn)行淮腾，標(biāo)志著先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制日益走向大型化和經(jīng)濟(jì)型——從力學(xué)性能的最大化轉(zhuǎn)向通過(guò)低成本技術(shù)來(lái)獲得經(jīng)濟(jì)上可承受的結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程的轉(zhuǎn)變與先進(jìn)復(fù)合材料的自動(dòng)化制造技術(shù)的發(fā)展是有著密切的關(guān)系屉佳。預(yù)浸料自動(dòng)成型技術(shù)谷朝，包括自動(dòng)鋪帶技術(shù)(ATL)和自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)（AFP）和先進(jìn)拉擠（ADP）等為核心的自動(dòng)化制造技術(shù)成為發(fā)展的重要方向之一。目前發(fā)達(dá)國(guó)家在航空航天復(fù)合材料制造中廣泛采用的自動(dòng)化技術(shù)武花，采用預(yù)浸料和數(shù)字化設(shè)計(jì)與自動(dòng)化制造超大圆凰、低成本先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件，同時(shí)体箕，促進(jìn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量的提高专钉，改善了工藝環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綠色制造累铅。

　　應(yīng)變能桿的特點(diǎn)

　　復(fù)合材料應(yīng)變能桿不同于其它復(fù)合材料型材構(gòu)件跃须，有其自身顯著的特點(diǎn)：

　　（1）超長(zhǎng)：應(yīng)變能桿主要用于大型衛(wèi)星天線和太陽(yáng)帆的支撐結(jié)構(gòu)禽岭，這就決定了其長(zhǎng)度非常大的特點(diǎn)诉抱。ESA和DLR的研究表明質(zhì)量為110kg的飛船需要125m×125m的太陽(yáng)帆作為推進(jìn)系統(tǒng)（假設(shè)太陽(yáng)帆密度為8g/m2），若采用4根應(yīng)變能桿對(duì)角支撐的方案展開(kāi)艘励，則單根應(yīng)變能桿的長(zhǎng)度接近90m聂闺，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的航天器和飛機(jī)的長(zhǎng)桁等型材結(jié)構(gòu)。這就要求更大成型設(shè)備或新的成型方法唆痪。

　∽刹丁（2）超薄：為保障應(yīng)變能桿的收攏和展開(kāi)境株，桿壁厚度要求不超過(guò)0.5mm础川；并且為滿足應(yīng)變能桿的抗扭、抗彎和基頻的設(shè)計(jì)要求肌蝶，桿壁必須具有±α°鋪層和連續(xù)0°鋪層（不允許間斷和搭接）韵绿。這就對(duì)預(yù)浸料厚度要求更加苛刻，而且對(duì)制備預(yù)浸料的坯材要求更高刑嚷。

　÷怨（3）超高直線度：由于應(yīng)變能桿長(zhǎng)度增加給制件的直線度帶來(lái)更高的要求，從而保障兩半片應(yīng)變能桿制件粘接的吻合度和最終應(yīng)變桿的總體直線度闽巩。

　【唷（4）超精確外形：由于應(yīng)變能桿是由兩半片膠接制成，為保障兩半片膠接面的貼合緊密涎跨，膠接后沒(méi)有畸變洼冻，必須要求固化后的復(fù)合材料應(yīng)變能制件的外形及尺寸具有高度一致性崭歧。這就對(duì)預(yù)浸料的鋪放角度和鋪放張力提出了更高的要求。

　　復(fù)合材料超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)連續(xù)自動(dòng)化成型技術(shù)

　　目前撞牢，復(fù)合材料行業(yè)使用的成型設(shè)備主要包括熱壓罐率碾、模壓機(jī)和拉擠設(shè)備。

　∥荼搿（1）熱壓罐是具有整體加熱系統(tǒng)的大型壓力容器所宰，具有壓力場(chǎng)均勻、溫度場(chǎng)均勻畜挥、加壓靈活仔粥、適合多種材料及多種形狀產(chǎn)品的生產(chǎn)等特點(diǎn)，但制件尺寸受到熱壓罐尺寸的限制蟹但。國(guó)外已研制的應(yīng)變能構(gòu)件的長(zhǎng)度達(dá)到30m及苍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)今國(guó)內(nèi)最大熱壓罐尺寸為Φ5.8m×19m。而且隨著熱壓罐尺寸（≥10m）的增大蓉厕，設(shè)備的制造成本更昂貴勾疏，溫度和壓力響應(yīng)遲緩，溫度控制精度差杉漓。因此隨著復(fù)合材料應(yīng)變能構(gòu)件尺寸的增加蛉渡，熱壓罐設(shè)備不能適用于超長(zhǎng)構(gòu)件的成型。

　〖臀（2）模壓機(jī)具雖然具有壓力范圍寬（10~2000T）则钩、壓力均勻蘑劲、產(chǎn)品尺寸精度高等特點(diǎn)虹限，但其工作面尺寸有限（最大為1.5m×3m），多用于制備板狀似魄、管狀或者其他較為簡(jiǎn)單形狀的復(fù)合材料制品彭薪，不能直接作為應(yīng)變能構(gòu)件的整體成型設(shè)備。

　∽鹘恪（3）拉擠設(shè)備是將纖維或織物濕法浸膠夜矗，在張力作用下通過(guò)加熱的模具實(shí)現(xiàn)連續(xù)成型和固化，該設(shè)備突破了產(chǎn)品尺寸的限制让虐，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化整體成型紊撕，但不能進(jìn)行復(fù)雜鋪層方式的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)制品力學(xué)性能可設(shè)計(jì)性赡突，制品性能具有明顯的方向性对扶，其橫向強(qiáng)度較低，含膠量控制精度較低惭缰，而且只限于生產(chǎn)通用復(fù)合材料型材浪南，不能應(yīng)用制備航天高性能復(fù)合材料構(gòu)件笼才。

　　復(fù)合材料應(yīng)變能桿的顯著特點(diǎn)對(duì)其成型工藝提出了更高的要求。國(guó)外已研制的應(yīng)變能構(gòu)件的長(zhǎng)度已達(dá)到30m络凿，采用現(xiàn)有工藝骡送，其超長(zhǎng)且無(wú)搭接的要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前國(guó)內(nèi)復(fù)合材料成型和固化設(shè)備的制造能力絮记。另外蔓彩，傳統(tǒng)的手工鋪疊已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)變能桿超高直線度和超精密外形對(duì)預(yù)浸料鋪放角度、張力和直線度的工藝要求粹断，必須采用自動(dòng)化連續(xù)鋪疊裁剪讼石。

　　為了解決超長(zhǎng)復(fù)合材料應(yīng)變能桿整體成型的關(guān)鍵技術(shù)，滿足應(yīng)變能桿的設(shè)計(jì)要求稻诚，南京航空航天大學(xué)提出了復(fù)合材料構(gòu)件連續(xù)成型技術(shù)方案岭笔，其基本流程如圖3所示。它是以預(yù)浸料為原料辖狞，經(jīng)裁剪-鋪疊钻国、預(yù)變形、熱壓固化孩置、后固化燎称、牽引和檢測(cè)等工藝過(guò)程替代原有成型設(shè)備成型產(chǎn)品，直接制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的總稱罚栏。高質(zhì)量預(yù)浸料作為原材料可保證制件的厚度均勻贩溉，絲束分布均勻；自動(dòng)化裁剪和鋪疊可保證預(yù)浸料的鋪放角度和鋪放張力增捻，保障制件的直線度膨桂；預(yù)變形可避免制件在熱壓模具中的變形過(guò)大，從而保障制件固化后的精確外形锥惋；固定位置或移動(dòng)的熱壓固化模具和后固化設(shè)備可避免超大熱壓罐的使用昌腰，降低制造成本；制件牽引系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的連續(xù)成型膀跌。

　　復(fù)合材料連續(xù)成型設(shè)備與傳統(tǒng)成型設(shè)備的比較見(jiàn)表1遭商。連續(xù)成型設(shè)備不受場(chǎng)地和模具的限制，可在小型模具上通過(guò)連續(xù)固化成型生產(chǎn)大型捅伤、超長(zhǎng)復(fù)合材料構(gòu)件劫流。另外，該設(shè)備可通過(guò)成型前的自動(dòng)裁剪-鋪疊系統(tǒng)丛忆，實(shí)現(xiàn)具有鋪層設(shè)計(jì)的復(fù)合材料構(gòu)件的連續(xù)生產(chǎn)祠汇，這與傳統(tǒng)的拉擠設(shè)備不同，同時(shí)可控制復(fù)合材料構(gòu)件的纖維體積含量蘸际。

　　南京航空航天大學(xué)在復(fù)合材料構(gòu)件連續(xù)成型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上初步研制了復(fù)合材料應(yīng)變能桿成型的原理樣機(jī)（圖4（a））座哩，并試制了20m長(zhǎng)應(yīng)變能桿（圖4（b））徒扶。

　　應(yīng)用前景

　　復(fù)合材料應(yīng)變能桿因其突出優(yōu)勢(shì)在航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，可以用于合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星的天線的桅桿根穷，以及其他衛(wèi)星和探測(cè)器天線的展開(kāi)機(jī)構(gòu)姜骡。

　　復(fù)合材料構(gòu)件整體連續(xù)成型技術(shù)不僅可以完成應(yīng)變能桿的制造，而且可以用于制造衛(wèi)星和飛船中的桁條诽怨，以及飛機(jī)的地板梁和機(jī)身機(jī)翼的長(zhǎng)桁等復(fù)合材料型材結(jié)構(gòu)勃经。從而提高生產(chǎn)效率，降低成本食云，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性浩铺。

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