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这一新材料缘何被偏爱

热塑性复合材料单通道飞机机身引关注

时间:2017年09月18日 12:17    来源:《大飞机报》
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(作者:刘建光)
 

 

  在今年的巴黎航展上,Stelia航宇公司展出了一个全尺寸热塑性复合材料机身验证件,成为了本届航展的亮点之一。热塑性复合材料并非一个新鲜事物,A380客机长达26米,重达200千克的机翼前缘,就采用的是高性能热塑性复合材料。而在A350 XWB问世之前,空客公司已有超过1500个不同的飞机零部件采用热塑性复合材料生产。人们不禁要问,空客为何如此偏爱热塑性复合材料? 

 

加工周期只需20分钟

  当前飞机的复合材料领域,使用最多也最为成熟的是采用环氧树脂、双马树脂等热固性树脂作为基体的热固性复合材料。近年来,逐渐发展了采用聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等热塑性树脂作为基体的热塑性复合材料。

  相对于热固性复合材料,热塑性复合材料密度低,这意味着有一定的减重优势,同时,还具有韧性好、抗冲击疲劳性能好,并且易成型,加工周期短,生产效率高等优点。

  有一组数据可以进行对比,热固性复合材料主要的成型方法是预浸料铺贴/热压罐固化工艺,其加工周期通常在数个小时,而热塑性树脂由于具有加热软化的特性,可采用传统冲压成型方法加工,加工周期通常在20分钟以内。

  除此之外,热塑性复合材料还有可焊接的特点。这是因为热塑性树脂的加热熔融、冷却固结特性,使得热塑性复合材料像金属一样具有良好的焊接性能。相比传统的机械连接及胶结技术,采用焊接方式装配的热塑性复合材料结构,省略了连接件,缩短了工艺周期,并且具有较高的连接强度。

 

小桌板上就有它

  采用热塑性复合材料作为内饰件,较金属可减重70%,疲劳强度达4-5倍;较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,是金属和热固性复合材料内饰件的良好替代材料。目前已应用于座椅、行李架导轨、个人空气系统导管等部位。

  荷兰TenCate公司、Ticona工程聚合物公司和A&P技术公司联合开发了的碳纤维/PPS热塑性复合材料座椅。波音787的行李架顶部导轨使用了C形和L形的热塑性复合材料,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。

  在功能件上小试牛刀之后,热塑性复合材料逐渐开始应用在次承力构件上,如地板、前缘、控制面和尾翼零件,这些零件都是外形比较简单的次承力构件。空客A380客机、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。

  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处。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,这些机身连接零件使用碳纤维/PPS材料。

  湾流G650公务机在热塑性复合材料应用方面是一个里程碑,其压力隔框肋板使用了碳纤维/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%。

  阿古斯塔·韦斯特兰AW169直升机的平尾采用了碳纤维/PPS材料,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。

  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3.05m×3.06m,是目前最大的碳纤维热塑性航空结构之一。空客供图

 

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看这些国家如何研究将

热塑性复合材料应用于主承力结构

  热塑性复合材料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。 

 

荷兰:与空客联合研究

  2009年,荷兰8家航空企业和研究机构与空客公司联合组建了TAPAS (Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure) 项目组,即“低成本热塑性复合材料航空结构创新项目”。项目第一阶段已于2013年完成,共投资1300万欧元。TAPAS1项目采用碳纤维/PEKK材料开发主承力结构,制造的热塑性复合材料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。热塑性复合材料尾翼扭矩盒基于G650的垂尾中央部分重新设计,展长12m,其中,蒙皮厚度从2mm-8mm之间变化,采用单向预浸带制造。由于热塑性复合材料固有的韧性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%。热塑性复合材料机身验证件长4m,双曲面外形,其中加强筋长3m,厚度从2.48m-5.50m之间变化。 

  TAPAS项目的第二阶段于2014年初开始,将持续到2017年底,预算是2430万欧元。第二阶段合作单位扩展到12家,目标是开发全热塑性复合材料验证尾翼,继续提升热塑性复合材料扭矩盒和机身的技术成熟度,材料、制造工艺、设计概念和模具设备的技术成熟度分别达到4级和6级。 

  荷兰国立航空航天实验室(NLR)采用热塑性复合材料研制出一个商用飞机发动机吊架上翼梁,取代原有的钢或钛合金。该碳纤维翼梁长6m,厚28mm。采用自动铺丝技术制造,得到的复合材料翼梁将降低制造成本并减重,有望在2025年投入生产。 

 

加拿大:完成两个项目

  加拿大魁北克航空研究与创新联盟(CRIAQ)包括庞巴迪、贝尔直升机和加拿大普惠等企业、大学和政府组织,完成了两个热塑性复合材料结构的开发项目:轻型直升机划橇式起落架热塑性复合材料薄壁、圆锥形管件;1.2m长的直升机热塑性复合材料尾梁,尾梁必须承受重要的弯矩,以及发动机高温排气。 

 

法国:投资数百万欧元

  法国的航空航天公司STELIA Aerospace近日投资数百万欧元用于热塑性复合材料项目,开发一款全热塑性材料的通用典型机身样机(包括蒙皮、桁条和框架),并用自动铺丝和非热压罐成型技术制成蒙皮,如图10所示。此外,该项目蒙皮加强件焊接采用了一种动态感应技术,利用法国Soudure集团开发的特种感应器,完成了热塑性基体(PEEK、PEKK、PPS)碳纤维增强复合材料焊接。 

 

中国:初步探索

  中国商飞北研中心一直都在关注热塑性复合材料技术的发展和应用,与国内外知名企业和研究院所开展了广泛的技术交流并建立了合作关系。2015至2016年期间,在北京市科技计划项目“航空级热塑性复合材料次承力构件研制”项目支持下,开展了热塑性复合材料力学性能试验研究,获得了性能数据;分析了热塑性复合材料模压成型过程残余应力产生机理并建立了回弹预测及补偿方法;形成了热塑性复合材料机翼前缘结构设计、强度分析及抗鸟撞分析方法;掌握了热塑性复合材料模压成型工艺参数。联合北京玻璃钢复合材料有限公司制造了热塑性复合材料前缘样段。为将高性能热塑性复合材料应用于国产客机进行了初步的探索。 

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