先進復合材料已經(jīng)成為大型客機的首選結(jié)構(gòu)材料，其用量占機體重量的百分比更是成為衡量民機先進性的一項重要指標。目前，波音公司最先進的飛機波音787上復合材料用量占結(jié)構(gòu)總重量的50%；而空客公司A350飛機上的復合材料用量也由原先的37%增加到現(xiàn)在的53%。盡管兩大飛機制造公司對復合材料在飛機結(jié)構(gòu)減重方面取得的效果表示滿意，但仍對選擇金屬還是復合材料存在強烈抗爭，對復材在飛機上用量的進一步擴大持謹慎的態(tài)度，原因是目前飛機結(jié)構(gòu)上廣泛使用的復合材料主要是熱固性樹脂基復合材料，其材料制造成本較高，且制造過程使用的預浸料/熱壓罐技術(shù)也非常昂貴。另外，在日益強調(diào)環(huán)保的今天，熱固性復合材料的環(huán)境友好性差及廢棄物難以回收處理等不足，也制約其在飛機上的應用擴展。
高性能熱塑性復合材料是指用高強玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維增強耐高溫熱塑性樹脂的復合材料。與熱固性復合材料相比，高性能熱塑性復合材料具有較好的耐熱性能和剛度、強度；其線狀鏈的分子結(jié)構(gòu)使得聚合物保持著良好的韌性，因此材料還具有較高的韌性、優(yōu)良的抗蠕變能力、優(yōu)秀的損傷容限性能以及良好的抗沖擊性能；同時，由于熱塑性聚合物分子鏈不含有產(chǎn)生鏈間化學反應的基團，其在加熱過程僅僅發(fā)生加熱變軟和冷卻變硬的物理變化，故成型周期短、生產(chǎn)效率高，具有較大降低制造和使用成本的潛力；其結(jié)構(gòu)件還可以直接熔融焊接，無需鉚結(jié)，也能有效減輕飛機重量，并利于維修。另外，某些熱塑性復合材料的長期使用溫度可達250℃以上，并且耐水性極優(yōu)，可在濕熱環(huán)境下長期使用；同時預浸料無存放環(huán)境與時間限制，可長期貯存、并且廢料還可以回收再利用，通常被稱為“綠色材料”。 正是基于上述優(yōu)點，高性能熱塑性復合材料被認為是一種有發(fā)展前途的飛機結(jié)構(gòu)用材料，一直受到航空航天領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。
自20世紀60年代以來，高性能連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料就受到歐、美、日等發(fā)達國家的重視， 并取得許多突破性進展。部分產(chǎn)品已被波音、空客、福特等公司成功應用到飛機蒙皮、整流罩、升降舵、平尾等制件上，但使用范圍非常有限。長期以來， 制約熱塑性復合材料在民機上應用的主要原因有以下兩個：（1）預浸料制造困難，材料成本高；（2）制件制造需要高溫高壓，對設備和輔料要求高。但鑒于這種材料的低成本潛力，從20世紀80 年代開始，以美國為主導的西方國家進行了一系列旨在提高熱塑性復材預浸料的制造水平、降低制件制造成本的研究計劃，并最終取得大量的研究成果，為高性能熱塑性復合材料在民機上的應用推廣奠定了基礎。本文將就高性能熱塑性復合材料在國外飛機結(jié)構(gòu)件上的應用現(xiàn)狀及最新研究成果和未來發(fā)展方向作簡要介紹。
航空用熱塑性樹脂基復合材料的研究進展
目前，應用到航空領(lǐng)域的熱塑性樹脂主要是耐高溫、高性能的樹脂基體：聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亞胺（PEI）。其中，無定形的PEI由于具有更低的加工溫度及加工成本，比半結(jié)晶的PPS及高成型溫度的PEEK在飛機結(jié)構(gòu)件上的應用更多。表1列出了部分已經(jīng)商品化的熱塑性復合材料材料牌號以及在現(xiàn)有機型結(jié)構(gòu)件上的使用情況[17-23]。
熱塑性復合材料不僅與樹脂、增強纖維的性能，還與纖維的增強方式、材料的成型工藝以及成型設備有關(guān)。目前，原材料的研究主要集中在研發(fā)并認證合適的材料，即為適應不同工藝方案而進行的新樹脂體系材料的研發(fā)和材料形式的變更。其中熱塑性片（板）材非常類似熱固性復合材料，不僅可以簡化模塑操作，而且可在自動化生產(chǎn)線上大量生產(chǎn)，是目前飛機上最為常見的材料形式。但隨著自動鋪放等低成本制造技術(shù)發(fā)展，飛機結(jié)構(gòu)制造商往往需要根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點、制造難度以及成本等，要求材料供應商提供不同形式的材料以滿足不同的成型要求。例如，Royal Ten Cate 公司的Cetex產(chǎn)品也可以被加工成預浸束紗、混合紗等形式，以適應不同的工藝要求。
國外通過幾十年的預先研究和試驗驗證，原材料的制造技術(shù)已經(jīng)相當成熟，許多商品化的產(chǎn)品已在波音、空客等大型客機上服役多年，效果非常好。國內(nèi)原材料的生產(chǎn)在經(jīng)過近30年的發(fā)展，也積累了相當多的經(jīng)驗，一些制約該種材料應用的瓶頸問題也逐步得到解決，部分產(chǎn)品甚至已經(jīng)達到商品化的水平并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，材料穩(wěn)定化生產(chǎn)是目前實現(xiàn)我國原材料在飛機上大量應用的關(guān)鍵問題。
高性能熱塑性復合材料的成型技術(shù)
熱塑性樹脂基復合材料加工工藝大致可分為：熱塑性基體浸漬工藝和制件成型工藝。其中最關(guān)鍵的技術(shù)是成型技術(shù)，它是制約熱塑性復合材料在飛機上廣泛應用的主要瓶頸。下面將重點介紹熱塑性復合材料飛機結(jié)構(gòu)件制造中已經(jīng)成熟使用和正在研究發(fā)展的成型技術(shù)。
1 熱壓成型
熱壓成型是熱塑性復合材料在航空制件成型中主要的方法之一，按照所用的設備不同又可以分為模壓成型、雙膜成型、熱壓罐成型和真空袋成型。其基本工藝過程是先將預浸料裁剪鋪疊后，放入模具中升溫加熱，待升溫至成型溫度后，通過不同的加壓設備對預浸料鋪層進行加壓，賦形得到最終滿足要求的制件。熱壓成型是工業(yè)界普遍看好，并重點研究發(fā)展的低成本、規(guī)模化制造技術(shù)，并廣泛應用于飛機制件的制造中。同時，對于一些變厚度、形狀復雜的梁、長桁等制件（圖1），熱壓可以實現(xiàn)其快速成型，通常從下料到完成固化只需要15min。目前制約熱壓成型工藝的主要問題是飛機上可用的高性能熱塑性樹脂通常具有較高的熔融粘性，而高粘性使得樹脂對增強纖維的浸潤性和穿透性差、鄰近層之間的粘接困難、較難排除層板中的孔隙、以及成型過程中樹脂均勻流動很困難等問題。
2 纏繞成型
在諸多熱塑性復合材料成型方法中， 纏繞成型能較好地實現(xiàn)低成本和高效率。一般而言，熱塑性樹脂纖維纏繞既可先將熱塑性預浸帶干法纏繞成型，然后在固化爐或熱壓罐內(nèi)固化；又可用原位固化工藝成型，即將連續(xù)的經(jīng)加熱爐預熱后的預浸帶纏繞在相應的芯模上，在纏繞的同時用熱源使樹脂熔融，使預浸料逐層粘合成一體并最終形成熱塑性復合材料制件。在原位固化工藝中不需要加熱、加壓等“后定型”(固化) 環(huán)節(jié)，可以大幅度提高制品的生產(chǎn)效率，從而大大降低生產(chǎn)成本，是目前熱塑性復合材料纏繞成型重點發(fā)展的工藝技術(shù)，比較適合圓形截面制件的制造（圖2）。纏繞成型工藝優(yōu)點是可以按照制品的受力狀況設計纏繞規(guī)律，從而充分發(fā)揮纖維的增強作用；并且制品質(zhì)量穩(wěn)定，容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。存在問題是纏繞過程需要采用合適的浸漬方法，在纏繞的過程中必須進行合理的加熱以及匹配的纏繞速度，以防止樹脂在纏繞過程中冷卻凝固，導致層內(nèi)和層間粘結(jié)不良，嚴重影響制品性能。總體來說熱塑性纖維纏繞工藝已發(fā)展到了一定階段，一些產(chǎn)品也已用于航空航天和民用。如美國用CF/PEEK纏繞制作了飛機水平安定面。
3 自動鋪放成型
自動鋪放技術(shù)是將復合材料的剪裁、定位、鋪疊、壓實等步驟集于一體，且具有控溫和質(zhì)量檢測功能的復合材料的集成化數(shù)控成型技術(shù)，能有效滿足自動化、高產(chǎn)量、高質(zhì)量、低成本等技術(shù)要求，是熱塑性復合材料低成本制造技術(shù)的一個重點研究方向。目前國外熱塑性復合材料的自動鋪放技術(shù)的研究主要包括工藝、裝備以及軟件控制技術(shù)，而我國在熱塑性樹脂基復合材料自動鋪放方面的研究尚未起步。
在航空領(lǐng)域中，自動鋪帶適用于尺寸較大，曲率相對較小的零件，如整體壁板類零件、大梁、長桁等，而纖維自動鋪放適用于尺寸較大，形狀相對較復雜的零件，如機身段、進氣道等。經(jīng)過20多年的研究，國外熱塑性復合材料自動鋪帶技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。2009 年荷蘭航空專家鮑肯研制了 1個10mm 條寬的2m×1m×1m 三維纖維鋪放設備單元，并利用該設備在陽模上成功鋪放了一新型前緣的蒙皮；而NASA支持的熱塑性復合材料的自動鋪放原位固化頭安裝在辛辛那提的自動鋪帶機上成功鋪放了1個2m×1.2m、表面焊接有6根工字型梁的AS4/PEEK蒙皮。隨著鋪放技術(shù)的發(fā)展，面臨的挑戰(zhàn)是如何保證質(zhì)量的同時提高效率以及實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。
4 纖維混雜法
纖維混雜法是熱塑復合材料加工技術(shù)的一次革新，技術(shù)關(guān)鍵是制備與增強纖維直徑相當?shù)臉渲w維，然后使兩種纖維混雜成一種復合紗，再編織成預浸料，或直接用兩種纖維進行編織。考慮到航空領(lǐng)域中主流熱熔預浸料存在硬度過高不易鋪放，不適合成型復雜曲面和精致結(jié)構(gòu)，纖維混雜法得到的具有良好的柔軟性和垂懸性的預浸料或預制體變形能力強，鋪覆性好，對于變曲率、變厚度的復雜結(jié)構(gòu)的成型還是非常有優(yōu)勢的，故是一種很有前途的成型方法。纖維混雜法的優(yōu)點是樹脂含量易于控制，纖維能得到充分浸潤，可以直接纏繞成型得到制件；同時，由于熱塑纖維和增強纖維緊密結(jié)合在一起， 減小了樹脂滲透的距離，也能有效克服熱塑樹脂浸漬的困難；并且因為材料具有良好的柔韌性，可以編織三維近實物形狀，因此可以大大提高材料的韌性及損傷容限，同時縮短制件的制作周期。但由于制取直徑極細的熱塑性樹脂纖維( <10μm) 非常困難，同時編織過程中易造成纖維損傷，限制了這一技術(shù)的應用發(fā)展。
高性能熱塑性復合材料在大型客機上的應用與發(fā)展前景
1 高性能熱塑性復合材料在大型客機上的應用狀況
國外熱塑性復合材料在商用飛機上的應用研究開始于20世紀90年代初，并且一開始即涉獵到主結(jié)構(gòu)件上的應用。一個典型例子就是C/PEI成功應用在Gulfstream G550飛機的壓力艙壁板和Fokker70、Fokker100飛機的貨艙地板。但由于早期材料、成型設備以及工藝的局限性，主要還是集中在在一些小而簡單的結(jié)構(gòu)件上，如飛機上常用的梁、肋結(jié)構(gòu)。隨著新材料、新工藝以及設計理念的發(fā)展，高性能熱塑性復合材料的應用逐漸從小結(jié)構(gòu)件發(fā)展到次承力結(jié)構(gòu)件上，典型案例是A380飛機上的多肋設計理念以及由焊接技術(shù)連接的C/PPS薄蒙皮多肋J-nose固定翼前緣結(jié)構(gòu)。
高性能熱塑性復合材料在大型客機上逐漸替代金屬材料或熱固性復合材料已經(jīng)成為新材料新技術(shù)發(fā)展的一個方向，各發(fā)達國家及航空機構(gòu)均加大了該方面的研究。盡管近期高性能熱塑性復合材料在復雜結(jié)構(gòu)的制造上還存在一些技術(shù)難點并缺少經(jīng)濟、快速、可靠地零件制造工藝，暫時不大可能大量取代熱固性復合材料，但隨著先進材料和自動化設備的發(fā)展，成型工藝技術(shù)的進步，以及焊接等裝配技術(shù)的成熟，其極有可能在未來飛機上作為主要材料應用在包括機身在內(nèi)的主承力結(jié)構(gòu)件上。
2 高性能熱塑性復合材料在空客客機上的應用研究
空中客車公司一直是新材料新工藝在商用客機上使用的領(lǐng)跑者和倡導者， 其在20世紀90年代初就開始參與到熱塑性樹脂基復合材料在大型客機上的應用研究，并成功地將PPS樹脂基熱塑性復合材料應用在一些結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小的肋、梁等小件上。隨著材料性能、成型工藝、以及裝配技術(shù)的提高，高性能熱塑性復合材料已被逐漸使用到空客飛機的次承力結(jié)構(gòu)件上，例如：A340/500、A380機翼J-nose固定前緣。而在2009年，空客公司聯(lián)合Fokker公司、Tencate公司、德爾福特理工大學和圖恩特大學等啟動了一項為期4年的TAPAS飛機熱塑性主結(jié)構(gòu)件項目，該項目目標是為未來飛機項目建立一項制造大型主結(jié)構(gòu)件所必需的熱塑性復合材料技術(shù)。作為該項目的一項重要組成部分是研制C-PEEK熱塑性復合材料機身，目前該全尺寸4m長，雙曲率演示產(chǎn)品的研發(fā)已取得突破性進展，一旦成功，該結(jié)構(gòu)可能在未來新型A30X機型上使用。
3 高性能熱塑性復合材料在國產(chǎn)大飛機上的應用展望
計劃于2014年首飛的國產(chǎn)大飛機復合材料用量將達到15.9%，鑒于材料、工藝以及適航取證等問題，目前結(jié)構(gòu)件上選用的復合材料還是在波音和空客機型上服役多年、非常成熟的環(huán)氧樹脂基熱固性復合材料，高性能熱塑性復合材的應用幾乎為零。但實際上現(xiàn)階段環(huán)氧樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)件的成本仍然比同代的金屬結(jié)構(gòu)要高，即使采用自動化的制造技術(shù)，其成本下降的空間也非常有限。近年來國外低成本制造技術(shù)的創(chuàng)新工作主要集中在尋找可替代材料和低成本成型技術(shù)，高性能熱塑性復合材料的經(jīng)濟、有效使用是未來飛機結(jié)構(gòu)用材料的一個重要選擇，也是先進材料發(fā)展和成型技術(shù)進步的必然結(jié)果。鑒于國外在該方面的應用研究也起步不久，各項關(guān)鍵技術(shù)均待突破，各國技術(shù)差距并不明顯，我國應盡快開展和加強該方面的開發(fā)應用工作，縮短與國外在先進飛機上先進材料和制造技術(shù)上的差距。
聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）及聚醚酰亞胺（PEI）等樹脂基復合材料目前已經(jīng)被波音、空客認證，并用于部分飛機結(jié)構(gòu)上，取得了較好的減重和降低成本的效果。因此，我國國產(chǎn)大飛機可以考慮先參照國外的成功案例，在一些需要大量使用的梁、肋結(jié)構(gòu)上使用熱塑性復合材料，充分發(fā)揮快速成型、批量生產(chǎn)的低成本、高效率優(yōu)勢；同時，在一些需要抗沖擊（如前緣），或耐高溫的部位（如發(fā)動機面板）也可以使用熱塑性復合材料，充分發(fā)揮熱塑性樹脂較高的韌性、優(yōu)秀的損傷容限性能和抗耐熱性等特征。由于國外熱塑性復合材料結(jié)構(gòu)件的制造技術(shù)對我國實行嚴格的技術(shù)封鎖，而一體化熱成型批量生產(chǎn)熱塑性復合材料零件是未來的一個重要發(fā)展趨勢，其設備研制相對容易，制造工藝相對簡單，我國可以考慮從該項技術(shù)的研發(fā)開始，積累經(jīng)驗，并逐漸趕上國外先進制造水平，爭取在將來使用我國自主研發(fā)的自動化成型設備，如自動鋪帶、鋪絲、纏繞、拉擠設備等。
另外，材料國產(chǎn)化也是避免將來國外對我國進行技術(shù)封鎖的有效途徑，國產(chǎn)熱塑性復合材料的制備技術(shù)貯備與支撐可以以大型客機項目為契機，通過大客的研制平臺，使材料與大飛機項目同步發(fā)展。同時針對性的開展相關(guān)研究工作，積累經(jīng)驗，建立技術(shù)數(shù)據(jù)庫以便將來材料的適航認證和擴大應用，使我國自主研發(fā)的大型客機將來可以通過新材料新工藝的使用達到飛機減重、成本降低、綠色環(huán)保、造福人類。
魯ICP備2021047099號