航空复合材料螺旋桨叶片制造工艺：从材料迭代到国产化突破，重塑航空推进系统性能

作为航空推进系统的核心部件，螺旋桨叶片的性能直接决定航空器的减重效率、推进效率与服役寿命。随着复合材料技术的发展，兼具高比强度、高阻尼与可设计性的复合材料螺旋桨叶片，已逐步替代传统金属叶片，成为通用飞机、直升机、无人机等机型的优选方案。本文结合国内外最新研究成果，系统梳理航空复合材料螺旋桨叶片的材料体系变迁、结构设计进化与制造工艺突破，并聚焦国产化进程中的进展与未来方向。 一、材料体系变迁：从金属到复合材料的性能飞跃航空螺旋桨叶片的材料迭代，始终围绕 “减重、增效、延寿” 三大核心需求展开，历经木质、金属到复合材料三个关键阶段。1. 木质与金属时代：性能瓶颈凸显早期航空螺旋桨以榉木、桦木为主要材料，但木质叶片存在强度低、易吸湿、加工精度差的缺陷，二战后逐渐被金属替代。铝合金（如 LY11、LY12 镁铝合金）凭借良好的导热性与减重效果，成为金属桨叶的主流选择，国外铝制螺旋桨制造体系已高度成熟。然而，金属叶片的局限性逐渐显现：一方面，为满足噪音法规要求需降低转速或增加叶片数量，导致减重效率下降；另一方面，金属的高阻尼特性缺失，易引发振动疲劳，使用寿命通常不超过 2000 小时。2. 复合材料时代：多维度性能突破20 世纪 60 年代，复合材料的出现为螺旋桨叶片带来革命性变化。与金属相比，复合材料叶片的优势显著： 极致减重：碳纤维复合材料叶片较硬铝叶片减重约 50%，美国 Hartzell 公司的 ASC-Ⅱ 碳 / 芳纶混杂复合材料桨叶，较同类型铝制桨叶减重 7.3kg； 降噪与抗振：复合材料的低阻尼特性可大幅降低螺旋桨鸣音，且固有频率更高 —— 碳纤维复合材料桨叶固有频率达 107.27Hz，较铝制桨叶提升 9%，共振风险显著降低； 耐疲劳与可修复：复合材料叶片耐交变疲劳性能优异，Hartzell 的 ASC-Ⅱ 桨叶设计寿命超 5 万小时，远超金属叶片的 1900 小时，且局部损伤可通过修补恢复性能。3. 国内外材料应用：从玻纤到碳纤混杂国外企业率先完成复合材料螺旋桨的产业化落地： 美国 Hartzell 公司：从早期 E - 玻璃纤维叶片，逐步升级为凯夫拉纤维叶片，2010 年推出的 ASC-Ⅱ 碳 / 芳纶混杂叶片，采用 RTM 工艺成型，抗拉强度达 1.2GPa，已应用于 TBM 700/850 飞机，起飞加速度提升 10%； 英国 Dowty 公司：1965 年启动玻纤复合材料叶片研发，1978 年推出碳纤维大梁 + 玻纤蒙皮 + 聚氨酯泡沫芯的复合结构，1984 年为 Saab-340 涡桨飞机配套全复合材料叶片，后续更实现海上环境适配（如 US-2 两栖飞机螺旋桨）； 国内进展：我国从木质、金属桨逐步过渡到复合材料领域，当前以玻璃纤维 / 碳纤维复合材料为主，航空工业惠阳自主研制的 JL-4A/1 型复合材料螺旋桨，已获批应用于 “鲲龙” AG600 两栖飞机，成为国内首款量产的航空复合材料螺旋桨。二、结构设计进化：三明治结构成主流，芯材选择决定性能上限复合材料螺旋桨的结构设计，经历了 “传统层合结构” 到 “三明治夹层结构” 的升级，核心目标是在减重的同时提升结构刚度与抗损伤能力。1. 结构类型：从金属梁壳到全复合夹层早期复合材料螺旋桨延续金属桨的 “梁壳结构”—— 美国企业多采用铝合金 / 钛合金大梁 + 玻纤蒙皮，而英、俄则率先研发全复合材料结构，以碳纤维为大梁、玻纤为蒙皮，内腔填充泡沫芯材。这种 “三明治结构”（又称夹层结构）通过芯材支撑蒙皮，大幅提升抗弯刚度，成为当前主流设计： 美国 Sikorsky 公司：为 “黑鹰” 直升机研制的全复合材料桨叶，采用碳纤维大梁 + 玻纤蒙皮 + 泡沫芯，使用寿命达 1 万小时，较钛梁叶片提升 5 倍； 国内设计：惠阳航空等企业采用类似结构，蒙皮为玻纤 / 碳纤混编材料（承受气动扭矩），主承力梁为碳纤维单向布（承载离心力与弯矩），内腔填充泡沫或蜂窝芯，碳梁沿桨叶轴向变厚度展开，桨根过渡为圆形以提升连接强度。2. 填充芯材：从聚氨酯到 PMI 泡沫的性能竞争芯材是三明治结构的 “骨架”，直接影响叶片减重效果与耐温性，当前主要有三类选择： 聚氨酯泡沫：早期主流芯材，热膨胀特性可提供固化压力，但耐温性差、力学贡献有限，仅适用于中低温成型； PMI 泡沫：力学性能与耐温性更优，德国赢创 ROHACELL WF 系列 PMI 泡沫，密度 75kg/m³ 时压缩强度达 1.7MPa，可适配共固化模压工艺，法国欧直公司用其替代蜂窝芯，使 “山猫” 直升机旋翼达到当时飞行速度纪录； 蜂窝芯：力学性能最佳，但开孔结构不利于液体成型，且金属蜂窝易与碳纤维产生电偶腐蚀，当前多被泡沫芯替代。 我国在芯材国产化方面已取得突破：兆恒科技、中科恒泰等企业实现 PMI 泡沫产业化，可满足中大型螺旋桨需求；中航昌河在 AC313 直升机旋翼研制中，采用共固化模压法制造亚洲最大的复合材料旋翼叶片，使用国产 PMI 泡沫，寿命达到 “无限寿命” 标准。三、制造工艺突破：闭模成型主导，关键技术攻克产业化瓶颈复合材料螺旋桨的制造工艺以 “闭模成型” 为主，核心挑战是保证复杂型面精度、控制孔隙率与降低成本，当前主流工艺分为热压成型与液体成型两大类。1. 热压成型：高精度与高可靠性的平衡热压成型是航空螺旋桨的成熟工艺，包括模压成型与热压罐成型，适用于对精度要求极高的桨叶制造。 模压成型：通过模具加压加热固化，可实现复杂型面的精密成型，分为 “分步固化” 与 “共固化” 两种方式 —— 分步固化容错性高但周期长，共固化周期短、成本低，是当前发展趋势。关键技术是 “泡沫过盈量设计”：昌河飞机通过实验建立过盈量 Δm 与零件厚度 δ 的线性关系（Δm=a×δ+b），使变厚度桨叶获得均匀内应力，解决了成型缺陷问题； 热压罐成型：通过真空袋密封 + 热压罐加温加压，制品孔隙率低、质量稳定，但成本高、周期长，仅用于小批量高精度构件，美国普渡大学曾用其制备复合材料螺旋桨，尺寸公差控制在 ±0.1mm 内。2. 液体成型：低成本与规模化的突破方向液体成型以树脂传递模塑（RTM）及其派生工艺为主，成本较热压成型低 30%-50%，是商业化量产的关键方向： RTM 工艺：将低黏度树脂注射进闭合模腔，浸渍纤维预制体后固化，Dowty、Hartzell 等公司用其制造螺旋桨，Hartzell 的 ASC-Ⅱ 叶片通过 RTM 工艺，在不改变设计的前提下降低成本 40%； 派生工艺：真空辅助树脂传递模塑（VARTM）、真空辅助灌注（VARI）等工艺，通过压力差提升树脂浸渍效果，Dwi 等研究表明，VARTM 制造的螺旋桨较手糊成型轻 15%、孔隙率低至 1.2%； 工艺难点：泡沫芯吸胶问题 —— 树脂过量浸入芯材会导致叶片增重，违背减重初衷。解决方案包括：使用德固赛 RIST/RIMA 低吸胶 PMI 泡沫、在芯材与蒙皮间铺设 PEI 密封膜，Dowty 公司通过该方法，使通勤飞机螺旋桨吸胶量降低 60%。四、国产化进程：从跟跑到局部突破，材料与工艺仍需攻坚我国航空复合材料螺旋桨已实现从 “无” 到 “有” 的突破，但在材料体系、工艺成熟度上与国外仍有差距。1. 材料国产化：碳纤维与芯材逐步突破碳纤维：中复神鹰、光威复材等企业实现 T800 级以下碳纤维产业化，正推进 T800 以上级别与小丝束 “宇航级” 碳纤维攻关，为高端螺旋桨提供材料基础；树脂与芯材：环氧树脂供应商可满足成型需求，PMI 泡沫实现国产化，兆恒科技产品密度 75kg/m³ 时剪切强度达 24MPa，接近进口水平。2. 产品与工艺：从直升机到固定翼的应用拓展直升机领域：直 - 9 采用玻纤桨叶，AC313、直 - 20 升级为碳纤桨叶，昌河飞机用共固化模压法制造的大型旋翼叶片，达到国际先进水平；固定翼领域：AG600 配备 JL-4A/1 型复合材料螺旋桨，填补国内空白，但通用飞机、无人机用复合材料螺旋桨仍以进口为主。3. 现存差距：体系化与工程化不足我国尚未形成 “材料 - 设计 - 工艺 - 检测” 的完整体系：材料上，高模量碳纤维、耐温树脂仍依赖进口；工艺上，RTM 成型复杂构件的数值模拟技术未普及；设计上，缺乏自主翼型数据库（如国外 Dowty 的 ARA-D 翼型）。五、未来方向：四大维度推动产业化升级结合国内外研究趋势，我国航空复合材料螺旋桨需从以下方向突破：健全材料体系：攻关 T800 以上碳纤维、耐 300℃以上高温树脂，解决复合材料脆性问题，建立自主材料性能数据库；优化结构设计：从仿制走向自主研发，开发适配国内材料的翼型与夹层结构，探索点阵结构、缝合结构等新型填充方式；深入工艺研究：提升 RTM 工艺对大尺寸构件的适配性，攻克泡沫过盈量、树脂吸胶等关键技术，降低量产成本；加强数值模拟工程化：将 Abaqus、PAM-RTM 等软件的模拟能力落地，预测树脂流动、固化应力等过程，减少试错成本。结语航空复合材料螺旋桨叶片的发展，是材料、设计与工艺协同创新的结果。国外已形成成熟的产业体系，而我国正处于从 “跟跑” 向 “并跑” 迈进的关键阶段。随着国产化材料的突破、工艺的成熟，复合材料螺旋桨将在通用航空、低空经济、无人机等领域广泛应用，为我国航空产业轻量化、高效化发展提供核心支撑。