热塑性树脂复合材料应用

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1、摘要：热塑性复合材料因具有韧性、耐蚀性和抗疲劳性高，成形工艺简单、周 期短，材料利用率高，预浸料存放环境与时间无限制等优异性能而得到快速发 展，并逐渐进入航空制造领域。尤其是近年来，在欧盟以及空客、福克航宇等 航空制造企业的强力推动下，热塑性复合材料在民机上频频崭露头角，在一些 部件上成为热固性复合材料的有力竞争对手。热塑性复合材料如果想继续扩大 在民机上的应用，必须进入机体主承力构件，然而，热塑性应用于主承力构件 还三个挑战，即原材料成本高，铺放工艺缓慢，以及预浸料粘性问题。关键词：热塑性复合材料碳纤维机体内饰主承力结构热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳烃纤维及其它材料增强各种热塑性树

2、脂所形成的复合材料，因具有韧性、耐蚀性和抗疲劳性高，成形工艺简单、周期 短，材料利用率高，预浸料存放环境与时间无限制等优异性能而得到快速发展， 并逐渐进入航空制造领域。尤其是近年来，在欧盟以及空客、福克航宇等航空制 造企业的强力推动下，热塑性复合材料在民机上频频崭露头角，在一些部件上成 为热固性复合材料的有力竞争对手。1热塑性复合材料的民机应用潜质以聚苯硫醚（PPS）,聚醚酰亚胺（PEI）,聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK） 为基体的先进增强热塑性复合材料（TPC），具备高刚度、低加工成本和重新加 工能力，拥有良好的阻燃、低烟和无毒（FST）性能，固化周期可以以分钟记， 且其成形过程是

3、天生的非热压罐工艺。这些固有属性使其成为轻质、低成本航空 结构的理想材料。为西科斯基公司直升机提供大型热塑性复合材料地板的纤维锻 造公司提供了如下一组数据：热塑性复合材料比钢轻60%，硬度是其6倍；比 铝轻30%；比热固性复合材料强韧2倍；比注射模塑塑料硬5倍；在生产中比 板材少60%碎屑。上述性能特点和数据对比表明，热塑性复合材料是一种天生的航空结构材料，并 且在民机应用上拥有巨大的潜质，甚至可能在未来为航空复合材料制造带来一场 热塑性革命。2热塑性复合材料在民机上的典型应用目前，热塑性复合材料（TPC）在民机上的应用主要体现在机体结构件和内饰件 上，这其中，碳纤维增强PPS的TPC占大多数

4、。2.1机体结构件机体结构件中，TPC主要应用在地板、前缘、控制面和尾翼零件上，这些零件 都是外形比较简单的次承力构件。空客A380客机、空客A350客机、湾流G650 公务机和阿古斯塔韦斯特兰AW169直升机都是热塑性机体结构件的应用大户。空客A380客机上最重要的热塑性复合材料结构件是玻璃纤维/PPS材料的机翼 固定前缘。每个机翼有8个固定前缘构件，其中热塑性材料占到了整个用料的三 分之二。在固定前缘蒙皮的纤维铺放中，制造商福克航空结构公司选择了先进的 超声点焊作为铺放设备的加热系统。图1空客A380热塑性机翼前缘空客A350客机机体的热塑性复合材料主要分布在可移动翼梁和肋上以及机身连 接

5、处1。应用量最大的是一系列机身连接零件，每架A350需要大约8000个， 这些零件位于机身11段到15段，连接机身复合材料壁板与内部的复合材料框 架结构。这些零件外形各异，部分是简单的1形，其它更为复杂，它们的尺寸在 任何一个维度上都不超过203mm。这些机身连接零件使用碳纤维/PPS材料， 通过先进的集成化单元完成制造，每个单元都拥有执行材料运输的机器人夹持系 统、执行材料预热的红外加热器以及执行材料固化的液压式热冲压机。图2空客A350热塑性机身零件湾流G650公务机在热塑性复合材料应用方面是一个里程碑，它的压力隔框肋板 则使用了碳纤维/PEI材料，而方向舵和升降舵都使用了碳纤维/PPS材

6、料，后者 标志着民机主控制面采用热塑性复合材料的时代已经到来。方向舵和升降舵的碳 纤维/PPS多肋结构比常规的碳纤维/环氧三明治结构轻10%、便宜20%，利用 先进的感应焊技术替代胶接和铆接是一个重要的成本削减因素，也是一项技术创 新。参与G650方向舵和升降舵研制的湾流公司、福克航空结构公司、TenCate 先进复材公司、KVE复材公司、Ticona工程聚合物公司因此获得了 2010年的 JEC大奖。（2014年10月27-29日，福克航空将委托TENCATE先进复材公司 在SAMPE中国2014年会上展出热塑性复合材料方向舵。欢迎点击“阅读原文” 预约参观。）图3湾流G650热塑性方向舵阿

7、古斯塔韦斯特兰AW169直升机的平尾采用了碳纤维/PPS材料2,比常规热 固性复合材料的设计轻了 15%，成为占机体重量近50%的复合材料中的一大亮 点。平尾外形长3m，弦长0.62m，厚0.15m，前缘12个肋，后缘14个肋，前 后缘蒙皮分别厚0.6mm和0.9mm。3m长的盒型梁由2个。形的构件组成，。 形构件及其上下稍弯曲的蒙皮在共固化中连接。福克航空结构公司开发的模具带 有可移除的内部心轴，可以让梁在一个步骤中成形，只需数分钟。图4阿韦AW169热塑性平尾此外，空客A400M运输机的驾驶舱地板和复合材料机身防冰板分别使用了碳纤 维/PPS和玻璃纤维/PPS材料。其中，驾驶舱地板尺寸3.

8、05m*3.06m，是目前 最大的碳纤维热塑性航空结构之一。图5空客A400M驾驶舱地板 可以看到，上述机体结构件几乎都是采用的PPS热塑性树脂。PPS是可用于航 空的热塑性材料中成本最低的材料解决方案，可以很容易地与增强体制成预浸 带，有着优秀的强度、硬度和方向稳定性，具备工艺和环保优势，可以使用快速 制造工艺。此外，PPS对燃料、油料、溶剂和防冰剂有良好的抵抗力，具备极 低的吸湿性，这使其在内饰件上也有着广泛的应用。2.2内饰件内饰件方面，TPC的应用更加广泛，座椅、行李架导轨、个人空气系统导管等。 切削动力公司、TenCate公司、Ticona工程聚合物公司和A&P技术公司联合开 发的碳

9、纤维/PPS热塑性复合材料座椅，获得了 2011年JEC大奖。波音787的 行李架顶部导轨使用了 C形和L形的TPC，个人空气系统导管使用了玻璃纤维 /PEI材料；庞巴迪“全球快车”公务机的窗框使用了玻璃纤维/PPS材料。此外，SABIC创新塑料公司和Tri-Mack塑料制造公司分别开发了可用于飞机内 饰件的碳纤维/PEI材料和碳纤维/PEEK材料，应用范围包括小桌板支杆、托架， 以及扶手、踏板好咖啡壶底架等厨房用品。其中，碳纤维/PEEK材料比金属减 重70%，疲劳强度达45倍；比热固性复合材料制造周期快数倍以上，材料回 收能力更强；加之其耐化学和耐腐蚀性，以及振动和噪声抑制的改进，是金属和

10、 热固性复合材料内饰件的良好替代材料。3热塑性复合材料民机主承力构件的研究进展热塑性复合材料（TPC）在民机应用上的巨大潜质，使得民机制造商一直非常关 注该材料在民机主承力构件上的应用，并开展了众多研究，研究的重点是主承力 构件的先进制造工艺。这其中，欧洲尤其是荷兰的贡献不可小视，欧盟框架研究 计划中的“热塑性经济可承受性航空主结构”（TAPAS）项目已经进入第6个年头， 依托荷兰TPC技术，项目产生了大量成果；波音也与荷兰TenCate先进复材公 司、斯托克福克公司以及Twente大学建立了热塑性复合材料研究中心（TPRC）； 此外，加拿大的魁北克航空研究与创新联盟（CRIAQ）也在关注直升

11、机TPC构 件。3.1欧盟框架计划的进展3.1.1欧盟框架计划的进展欧盟框架研究计划中的“热塑性经济可承受性航空主结构” （TAPAS）项目于2009 年启动，目的是为空客公司开发TPC平翼扭矩盒和尾翼结构，进一步增加TPC 在当前和未来飞机上的应用比例，如A320neo客机。项目将分为两个阶段，在 2017年完成3，目标是两个构件的材料、制造工艺、设计概念和模具设备达到 技术成熟度分别达到4级和6级。技术难点包括：开发和验证适合的材料，“对 接接头”连接，制造技术，如纤维焊接、压力成形和纤维铺放。TAPAS项目的成员包括空客、荷兰福克航空结构公司、TenCate先进复材公司、 Technob

12、is纤维技术公司、荷兰热塑性复材公司（DTC）、KVE复材集团、机 载复材公司、KE工厂公司、CODET公司、荷兰国家航空实验室（NLR）、Delft 技术大学和Twente大学等。项目的第一阶段已于2013年完成，采用碳纤维/PEKK材料开发主承力结构，项 目制造的TPC平尾扭矩盒和机身验证件分别达到了技术成熟度3级和5级。TPC 尾翼扭矩盒基于G650的垂尾中央部分重新设计，展长12m，其中，蒙皮厚度 从2mm8mm之间变化，采用单向预浸带制造。福克航空结构公司采用一种利 用焊接的“对接接头”方式在蒙皮上集成了 T型加强筋，据称这在制造工艺、成本 和重量上都是革命性的。由于TPC固有的韧性

13、能更好地阻止裂纹扩展，能够将 蒙皮设计得更薄，因此与热固性复合材料构件相比，该扭矩盒减重10%。TPC 机身验证件长4m，双曲面外形，其中加强筋长3m，厚度从2.485.50m之间变 化。DTC公司开发了该机身加强筋，及其制造工艺：数控切割TPC材料，机器 人铺放，真空预固化，自动运输，压力成形，整个过程仅需15min。图6热塑性扭矩盒验证件项目的第二阶段于2014年初开始，将继续提升TPC扭矩盒和机身的技术成熟 度，使其获得市场的关注4。对于扭矩盒的研究，接下来将开发可获应用认证的 材料和工艺；开发一个能够存放燃油的“湿”盒；使用将梁与蒙皮焊接起来的一种 结构。对于机身的研究，主要挑战在于控

14、制蒙皮厚度，特别是对于A320neo或 者737max这样的单通道客机，韧性的TPC薄蒙皮结构固然更合适，但其厚度 极限需要验证，尤其是考虑到如冰雹撞击或维修工具冲击下的局部载荷作用。欧盟框架研究计划中还有一个“经济的先进前缘结构”（COALESCE）项目，开 发多肋薄蒙皮设计的前缘，蒙皮在铺放过程中利用激光电焊加热，肋是片状预成 形件，与蒙皮在共固化过程中以“对接接头”方式连接。A380固定前缘的焊接接 头剥离强度是10N/mm，而带圆角的“对接接头”要强10倍，而且以该方式生产 的前缘结构比A380的成本低30%。图7带圆角的“对接接头”3.2其它的研究进展福克航空结构公司在TAPAS项目

15、之外还开发了几个验证件：TPC带筋翼面壁 板、TPC正弦梁、TPC带筋机身壁板。采用“对接接头”连接T型加强筋的TPC 翼面壁板比碳纤维/环氧材料减少了 1530%的成本。正弦梁采用碳纤维/PEKK 材料，其设计制造也得益于“对接接头”的开发，使该结构比简单I型梁具备更高 硬度和抗弯性，而热固性复合材料难以快速、经济地制造这样的结构。机身壁板 由碳纤维/PEEK材料制造5,在阴模中铺放，先铺垂直筋条，再自动铺放蒙皮， 随后蒙皮和筋共固化，最后使用感应焊技术把水平框架和壁板连接起来。图8热塑性机身壁板验证件加拿大魁北克航空研究与创新联盟（CRIAQ）包括庞巴迪、贝尔直升机和普惠 加拿大等企业、大

16、学和政府组织，它们完成了两个TPC结构的开发项目：轻型 直升机划橇式起落架TPC薄壁、圆锥形管件；1.2m长的直升机TPC尾梁，尾 梁必须承受重要的弯矩，以及发动机高温排气。由于旋翼机结构开发受复杂外形、 低产量和高风险的限制，直升机制造商很少能将TPC结构的生产商业化，CARIQ 的目的正是寻找工艺参数和最新的材料与设备来解决这个问题。在热塑性预浸料铺放技术方面，德国和美国在2013年都有最新研究成果。德国 弗劳恩霍夫研究所开发出一个热塑性预浸料自动铺带系统，能够在原位使用激光 进行热塑性树脂基体的固化，该系统具有良好的温度控制，铺放速度可达约 1m/s。美国自动动力公司开发出一个激光加热系统，可以取代热塑性预浸料一 般使用的热气加热系统，将纤维铺放速度提升35倍至0.5m/s，能耗减少60%， 并具有更严格的过程温度控制和更好的加热效率。4热塑性复合材料在民机上应用的挑战和前景热塑性复合材料（TPC）如果想继