熱塑性復合材料是什么技術?

    熱塑性復合材料是以玻璃纖維、碳纖維等增強各種熱塑性樹脂所形成的復合材料,因具有韌性、耐蝕性和抗疲勞性高,成形工藝簡單、周期短,材料利用率高,預浸料存放環境與時間無限制等優異性能而得到快速發展,并逐漸進入航空制造領域.目前,熱塑性復合材料正在加速進入民機主承力結構,這項技術是軍民通用的,例如可用于軍用運輸機.

    為什么值得關注?

    比起以環氧、雙馬等熱固性樹脂所形成的熱固性復合材料來說,熱塑性復合材料具備其所沒有的高剛度、低加工成本和再加工能力,擁有良好的阻燃、低煙和無毒性能,固化周期極短,且其成形過程不依賴熱壓罐.這些固有屬性使其成為一種天生的航空結構材料,并且在民機應用上擁有巨大的潛質,甚至可能在未來為航空復合材料制造帶來一場熱塑性革命.

    空客A380熱塑性機翼前緣

    熱塑性復合材料(TPC)在民機應用上的巨大潛質,使得民機制造商一直非常關注該材料在民機主承力構件上的應用,并開展了眾多研究,研究的重點是主承力構件的先進制造工藝.這其中,歐洲尤其是荷蘭的貢獻不可小視,歐盟框架研究計劃中的"熱塑性經濟可承受性航空主結構"(TAPAS)項目在2014年進入第6個年頭,依托荷蘭TPC技術,項目產生了大量成果;波音也與荷蘭TenCate先進復材公司、斯托克?福克公司等建立了熱塑性復合材料研究中心.

    "熱塑性經濟可承受性航空主結構"項目于2009年啟動,成員包括空客、荷蘭福克航空結構公司、TenCate先進復材公司、荷蘭國家航空實驗室(NLR)等.項目旨在為空客公司開發TPC平翼扭矩盒和尾翼結構,進一步增加TPC在當前和未來飛機上的應用比例,如A320neo.項目分為兩個階段,在2017年完成 ,目標是兩個構件的材料、制造工藝、設計概念和模具設備達到技術成熟度分別達到4級和6級.技術難點包括:開發和驗證適合的材料,"對接接頭"連接,制造技術,如纖維焊接、壓力成形和纖維鋪放.

    福克公司熱塑性扭矩盒驗證件

    項目第一階段于2013年完成,采用碳纖維/PEKK材料開發主承力結構,項目制造的TPC平尾扭矩盒和機身驗證件分別達到了技術成熟度3級和5級.扭矩盒制造上,由于TPC固有的韌性能更好地阻止裂紋擴展,能夠將蒙皮設計得更薄,因此與熱固性復合材料構件相比,該扭矩盒減重10%.機身加強筋制造上,由于采用了TPC材料,從數控切割、機器人鋪放到真空預固化、自動運輸以及壓力成形的整個制造過程僅需15min.項目的第二階段于2014年初開始,將面向A320neo這樣的單通道客機,繼續提升TPC扭矩盒和機身的技術成熟度,使其獲得市場的關注.

    福克航空結構公司在TAPAS項目之外還開發了幾個驗證件:TPC帶筋翼面壁板、TPC正弦梁、TPC帶筋機身壁板,并在2014年進行了展示.其中TPC帶筋翼面壁板比碳纖維/環氧材料減少了15%-30%的成本;正弦梁結構比簡單的I型梁具備更高硬度和抗彎性,而熱固性復合材料難以快速、經濟地制造這樣的結構.

    福克公司熱塑性機身壁板驗證件

    此外,包括龐巴迪、貝爾直升機和普惠加拿大等企業、大學和政府組織的加拿大魁北克航空研究與創新聯盟(CRIAQ)完成了兩個TPC結構的開發項目,其中包括1.2m長的直升機TPC尾梁.阿古斯塔?韋斯特蘭AW169直升機的平尾采用了碳纖維/PPS材料 ,比常規熱固性復合材料的設計輕了15%,該平尾外形長3m,弦長0.62m,厚0.15m,成為AW169的一大亮點.

    盡管存在原材料成本高、鋪放工藝緩慢、預浸料粘性問題等挑戰,但熱塑性復合材料巨大的應用潛力還是會驅使航空制造商將更多的部件設計為熱塑性結構,相關的研究也還將持續不斷地產出新成果,這都將進一步提升熱塑性復合材料在民機上的應用比例.也許,熱塑性復合材料就像低溫固化熱固性復合材料一樣,將曲折但堅定的發展,并在未來由量變轉為質變,攻克大型民機的主承力結構,實現廣泛而深層次的應用.

責任編輯：周婭

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