热塑性复合材料是什么技术?

  热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维等增强各种热塑性树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.目前,热塑性复合材料正在加速进入民机主承力结构,这项技术是军民通用的,例如可用于军用运输机.

  为什么值得关注?

  比起以环氧、双马等热固性树脂所形成的热固性复合材料来说,热塑性复合材料具备其所没有的高刚度、低加工成本和再加工能力,拥有良好的阻燃、低烟和无毒性能,固化周期极短,且其成形过程不依赖热压罐.这些固有属性使其成为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.

  空客A380热塑性机翼前缘

  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)项目在2014年进入第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?福克公司等建立了热塑性复合材料研究中心.

  "热塑性经济可承受性航空主结构"项目于2009年启动,成员包括空客、荷兰福克航空结构公司、TenCate先进复材公司、荷兰国家航空实验室(NLR)等.项目旨在为空客公司开发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.项目分为两个阶段,在2017年完成 ,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.

  福克公司热塑性扭矩盒验证件

  项目第一阶段于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.扭矩盒制造上,由于TPC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%.机身加强筋制造上,由于采用了TPC材料,从数控切割、机器人铺放到真空预固化、自动运输以及压力成形的整个制造过程仅需15min.项目的第二阶段于2014年初开始,将面向A320neo这样的单通道客机,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.

  福克航空结构公司在TAPAS项目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,并在2014年进行了展示.其中TPC带筋翼面壁板比碳纤维/环氧材料减少了15%-30%的成本;正弦梁结构比简单的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.

  福克公司热塑性机身壁板验证件

  此外,包括庞巴迪、贝尔直升机和普惠加拿大等企业、大学和政府组织的加拿大魁北克航空研究与创新联盟(CRIAQ)完成了两个TPC结构的开发项目,其中包括1.2m长的直升机TPC尾梁.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%,该平尾外形长3m,弦长0.62m,厚0.15m,成为AW169的一大亮点.

  尽管存在原材料成本高、铺放工艺缓慢、预浸料粘性问题等挑战,但热塑性复合材料巨大的应用潜力还是会驱使航空制造商将更多的部件设计为热塑性结构,相关的研究也还将持续不断地产出新成果,这都将进一步提升热塑性复合材料在民机上的应用比例.也许,热塑性复合材料就像低温固化热固性复合材料一样,将曲折但坚定的发展,并在未来由量变转为质变,攻克大型民机的主承力结构,实现广泛而深层次的应用.