熱塑性復(fù)合材料是什么技術(shù)?

    熱塑性復(fù)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(fù)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(yù)浸料存放環(huán)境與時間無限制等優(yōu)異性能而得到快速發(fā)展,并逐漸進入航空制造領(lǐng)域.目前,熱塑性復(fù)合材料正在加速進入民機主承力結(jié)構(gòu),這項技術(shù)是軍民通用的,例如可用于軍用運輸機.

    為什么值得關(guān)注?

    比起以環(huán)氧、雙馬等熱固性樹脂所形成的熱固性復(fù)合材料來說,熱塑性復(fù)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(jié)構(gòu)材料,并且在民機應(yīng)用上擁有巨大的潛質(zhì),甚至可能在未來為航空復(fù)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(fù)合材料(TPC)在民機應(yīng)用上的巨大潛質(zhì),使得民機制造商一直非常關(guān)注該材料在民機主承力構(gòu)件上的應(yīng)用,并開展了眾多研究,研究的重點是主承力構(gòu)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(jīng)濟可承受性航空主結(jié)構(gòu)"(TAPAS)項目在2014年進入第6個年頭,依托荷蘭TPC技術(shù),項目產(chǎn)生了大量成果;波音也與荷蘭TenCate先進復(fù)材公司、斯托克?福克公司等建立了熱塑性復(fù)合材料研究中心.

    "熱塑性經(jīng)濟可承受性航空主結(jié)構(gòu)"項目于2009年啟動,成員包括空客、荷蘭福克航空結(jié)構(gòu)公司、TenCate先進復(fù)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(fā)TPC平翼扭矩盒和尾翼結(jié)構(gòu),進一步增加TPC在當(dāng)前和未來飛機上的應(yīng)用比例,如A320neo.項目分為兩個階段,在2017年完成 ,目標(biāo)是兩個構(gòu)件的材料、制造工藝、設(shè)計概念和模具設(shè)備達到技術(shù)成熟度分別達到4級和6級.技術(shù)難點包括:開發(fā)和驗證適合的材料,"對接接頭"連接,制造技術(shù),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(fā)主承力結(jié)構(gòu),項目制造的TPC平尾扭矩盒和機身驗證件分別達到了技術(shù)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?qū)⒚善ぴO(shè)計得更薄,因此與熱固性復(fù)合材料構(gòu)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(shù)控切割、機器人鋪放到真空預(yù)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(xù)提升TPC扭矩盒和機身的技術(shù)成熟度,使其獲得市場的關(guān)注.

    福克航空結(jié)構(gòu)公司在TAPAS項目之外還開發(fā)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(huán)氧材料減少了15%-30%的成本;正弦梁結(jié)構(gòu)比簡單的I型梁具備更高硬度和抗彎性,而熱固性復(fù)合材料難以快速、經(jīng)濟地制造這樣的結(jié)構(gòu).

    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(yè)、大學(xué)和政府組織的加拿大魁北克航空研究與創(chuàng)新聯(lián)盟(CRIAQ)完成了兩個TPC結(jié)構(gòu)的開發(fā)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(guī)熱固性復(fù)合材料的設(shè)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(yù)浸料粘性問題等挑戰(zhàn),但熱塑性復(fù)合材料巨大的應(yīng)用潛力還是會驅(qū)使航空制造商將更多的部件設(shè)計為熱塑性結(jié)構(gòu),相關(guān)的研究也還將持續(xù)不斷地產(chǎn)出新成果,這都將進一步提升熱塑性復(fù)合材料在民機上的應(yīng)用比例.也許,熱塑性復(fù)合材料就像低溫固化熱固性復(fù)合材料一樣,將曲折但堅定的發(fā)展,并在未來由量變轉(zhuǎn)為質(zhì)變,攻克大型民機的主承力結(jié)構(gòu),實現(xiàn)廣泛而深層次的應(yīng)用.

責(zé)任編輯：周婭

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