熱塑性復(fù)合材料研究及其在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

郭云竹

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

熱塑性復(fù)合材料研究及其在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

郭云竹

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

本文介紹了熱塑性復(fù)合材料的分類與組成，并簡(jiǎn)述了短纖維粒料(SFT)、長(zhǎng)纖維粒料(LFT)、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性片材(GMT)、織物預(yù)浸料和單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑預(yù)浸料(CFRTP)的各自優(yōu)點(diǎn)，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的預(yù)浸料的主流制備工藝。結(jié)合高性能熱塑性復(fù)合材料在國(guó)外航空領(lǐng)域中的應(yīng)用，展望了其在我國(guó)的發(fā)展方向。

熱塑性復(fù)合材料；SFT ；LFT； GMT； CFRTP；粉末法；熔融法；混纖法；薄膜層疊法；溶劑法

1 引 言

熱塑性復(fù)合材料由不連續(xù)/連續(xù)纖維增強(qiáng)(如碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維)在結(jié)構(gòu)熱塑性聚合物(如聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK))中組成。熱塑性聚合物的熱結(jié)構(gòu)具有可逆性，當(dāng)溫度高于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度時(shí)軟化，而當(dāng)溫度低于該溫度時(shí)固化。

熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)包括：質(zhì)量輕、成本低、高比強(qiáng)度和硬度、增強(qiáng)震動(dòng)阻尼和聲音衰減、增強(qiáng)沖擊損傷容限(動(dòng)態(tài)能量吸收)、設(shè)計(jì)自由度高、能夠模塑成型復(fù)雜幾何形狀和結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的剪切和斷裂強(qiáng)度、可調(diào)的導(dǎo)熱性、可回收性、具有電磁屏蔽能力、惡劣環(huán)境中的堅(jiān)固/耐久性以及對(duì)環(huán)境無(wú)害性。

對(duì)于熱塑性復(fù)合材料的分類，一般是按有效纖維長(zhǎng)度定義的。熱塑性復(fù)合材料分為短纖維粒料(SFT)、長(zhǎng)纖維粒料(LFT)、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性片材(GMT)、織物預(yù)浸料和單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑預(yù)浸料(CFRTP)[1]。

2 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastics)廣義上是指所有長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料，狹義上指擠出復(fù)合的熱塑性復(fù)合材料粒料或片材，粒料可以注塑成型制品，片材可以模壓成型制品。與傳統(tǒng)的短纖維增強(qiáng)粒料相比，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)上有著顯著不同：長(zhǎng)纖維粒料中，纖維在樹(shù)脂基體中沿軸向平行排列和分散，纖維長(zhǎng)度等于粒料長(zhǎng)度，且被樹(shù)脂充分浸漬；而短纖維粒料內(nèi)，纖維無(wú)序地分散于基體當(dāng)中，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于粒料的長(zhǎng)度且不均勻。

短纖維與長(zhǎng)纖維粒料結(jié)構(gòu)上的不同主要取決于制備工藝的不同：后者在制備過(guò)程中纖維一直處于連續(xù)狀態(tài)，經(jīng)切粒后得到固定的長(zhǎng)度；而前者在制備之前要先進(jìn)行粉碎，然后再與樹(shù)脂基體通過(guò)螺桿擠出機(jī)擠出后造粒制成，或者是連續(xù)纖維和樹(shù)脂基體經(jīng)螺桿擠出機(jī)擠出后造粒制成。可見(jiàn)短纖維粒料在制備過(guò)程中都要經(jīng)過(guò)螺桿擠出機(jī)的擠出工序，而在這個(gè)過(guò)程中因?yàn)槭艿铰輻U和熔體的剪切力作用，大部分纖維被嚴(yán)重?fù)p壞，纖維長(zhǎng)度大大減少[2]。表1為幾種LFT片材性能。

表1 LFT片材材料性能[3]

短纖維與長(zhǎng)纖維粒料結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了兩者在性能上也存在明顯差異，與短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料相比，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而且纖維分散較為均勻，可以顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，如拉伸、彎曲、沖擊性能等。

(2)比剛度和比強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。

(3)耐蠕變性能高，尺寸穩(wěn)定性好，可以提高制件的精度。

(4)耐疲勞性能優(yōu)良，在高溫和潮濕的環(huán)境中穩(wěn)定性更好。

3 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

CFRTP(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics)是指以連續(xù)纖維作為增強(qiáng)材料、以熱塑性樹(shù)脂為基體，通過(guò)特殊工藝制造的高強(qiáng)度、高剛性、高韌性的新型復(fù)合材料。由于CFRTP的增強(qiáng)纖維是連續(xù)的，其力學(xué)性能遠(yuǎn)高于長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的部件。大多數(shù)熱塑性樹(shù)脂在熔融溫度下，因其黏度仍然較高而不能很好地浸漬纖維織物，因此，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的預(yù)浸料制備最大的困難在于熱塑性樹(shù)脂的高黏度。目前，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的預(yù)浸料的主流制備工藝有以下幾種：

3.1 熔融法

熔融法是最常用的熱塑預(yù)浸工藝。包含的工序有纖維引絲、展絲、預(yù)熱、浸漬、冷卻、收卷等。熔融法的難點(diǎn)在于樹(shù)脂黏度大，浸漬時(shí)間短，會(huì)導(dǎo)致中空干斑、纖維需要得到良好且無(wú)損分散等。

3.2 粉末法

按照粉末的干濕狀態(tài)，粉末法可分為干法粉末浸漬和濕法粉末浸漬。干法粉末主要借助氣體流化和靜電吸附等手段，使樹(shù)脂粉末吸附到經(jīng)過(guò)樹(shù)脂粉末區(qū)域的纖維表面及纖維束間，然后經(jīng)過(guò)加熱熔融制得預(yù)浸料[4]。濕法粉末浸漬是將樹(shù)脂粉末與易揮發(fā)非溶解型液體配制成懸浮液，當(dāng)纖維經(jīng)過(guò)溶液時(shí)，纖維得到良好分散并使樹(shù)脂粉末黏附到纖維表面及纖維束間，再經(jīng)過(guò)加熱快速除去液體和熔融壓輥浸漬成型的工序，獲得預(yù)浸料。圖1為粉末法原理示意圖。

圖1 粉末法原理

3.3 混纖法

混纖法浸漬工藝是預(yù)先制備與增強(qiáng)纖維匹配的熱塑性樹(shù)脂基體纖維，通過(guò)水相或氣相法將其與增強(qiáng)纖維進(jìn)行分散，然后合股成束，得到分散均勻的混合纖維束，再通過(guò)熔融定型即可獲得良好浸漬效果的預(yù)浸料[5]。但混纖和編織的過(guò)程會(huì)對(duì)纖維造成一定程度的損傷，從而降低了復(fù)合材料的性能。

3.4 薄膜層疊法

薄膜層疊法是指通過(guò)吹塑或?qū)仈D出將熱塑性樹(shù)脂制成薄膜，然后把纖維或織物(包括氈)與薄膜隔層交替堆積鋪放，通過(guò)加熱加壓使纖維或織物得到浸漬。這種方法工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，如果壓制參數(shù)選取合理，是可以利用這種方法生產(chǎn)出高質(zhì)量的復(fù)合材料。圖2為薄膜層疊法示意圖。

圖2 薄膜層疊法

3.5 溶劑法

為了降低熱塑性樹(shù)脂的黏度，利用溶劑將樹(shù)脂完全溶解配成膠液，然后使連續(xù)纖維通過(guò)膠液得到浸漬，再烘干除去溶劑，便得到預(yù)浸料。但熱塑性樹(shù)脂一般都具有較好的耐溶劑性，這就使得溶液浸漬具有很大的局限性；同時(shí)，在浸漬過(guò)程中，溶劑會(huì)揮發(fā)到環(huán)境中，對(duì)人身安全和健康帶來(lái)隱患；另外，在除去溶劑的過(guò)程中，溶劑揮發(fā)會(huì)在預(yù)浸料中產(chǎn)生氣泡，從而影響最終制品的力學(xué)性能。

4 熱塑性復(fù)合材料在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

目前，應(yīng)用到航空領(lǐng)域的熱塑性樹(shù)脂主要是耐高溫、高性能的樹(shù)脂基體：聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亞胺(PEI)。其中，無(wú)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(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用更多[6]。表2列出了部分已經(jīng)商品化的熱塑性復(fù)合材料材料牌號(hào)以及在現(xiàn)有機(jī)型結(jié)構(gòu)件上的使用情況。

表2 熱塑性復(fù)合材料在現(xiàn)有機(jī)型上的應(yīng)用

熱塑性復(fù)合材料不僅與樹(shù)脂、增強(qiáng)纖維的性能，還與纖維的增強(qiáng)方式、材料的成型工藝以及成型設(shè)備有關(guān)。目前，原材料的研究主要集中在研發(fā)并認(rèn)證合適的材料，即為適應(yīng)不同工藝方案而進(jìn)行的新樹(shù)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(fù)合材料，不僅可以簡(jiǎn)化模塑操作，而且可在自動(dòng)化生產(chǎn)線上大量生產(chǎn)，是目前飛機(jī)上最為常見(jiàn)的材料形式。但隨著自動(dòng)鋪放等低成本制造技術(shù)發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造商往往需要根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造難度以及成本等，要求材料供應(yīng)商提供不同形式的材料以滿足不同的成型要求[7]。例如，Royal Ten Cate公司的Cetex產(chǎn)品也可以被加工成預(yù)浸束紗、混合紗等形式，以適應(yīng)不同的工藝要求。

國(guó)外熱塑性復(fù)合材料在商用飛機(jī)上的應(yīng)用研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代初，并且一開(kāi)始就應(yīng)用在主結(jié)構(gòu)件上。一個(gè)典型例子就是C/PEI成功應(yīng)用在Gulfstream G550飛機(jī)的壓力艙壁Fokker70、Fokker100飛機(jī)的貨艙地板。但由于早期材料、成型設(shè)備以及工藝的局限性，主要還是集中在一些小而簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)件上，如飛機(jī)上常用的梁、肋結(jié)構(gòu)。隨著新材料、新工藝以及設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)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(jī)上的多肋設(shè)計(jì)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)[8]。

熱塑性復(fù)合材料在大型客機(jī)上逐漸替代金屬材料或熱固性復(fù)合材料已經(jīng)成為新材料新技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，各發(fā)達(dá)國(guó)家及航空機(jī)構(gòu)均加大了該方面的研究。盡管近期熱塑性復(fù)合材料在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造上還存在一些技術(shù)難點(diǎn)并缺少經(jīng)濟(jì)、快速、可靠地零件制造工藝，但隨著先進(jìn)材料和自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展，成型工藝技術(shù)的進(jìn)步，以及焊接等裝配技術(shù)的成熟，其極有可能在未來(lái)飛機(jī)上作為主要材料應(yīng)用在包括機(jī)身在內(nèi)的主承力結(jié)構(gòu)件上。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的深入和快速發(fā)展，熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)在我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中將起到越來(lái)越大的作用。國(guó)內(nèi)目前在該方面的應(yīng)用研究基本與國(guó)外同步，已基本建立起了原材料及復(fù)合材料的工業(yè)化體系。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)應(yīng)充分合作，抓住發(fā)展機(jī)遇，緊密圍繞新興產(chǎn)業(yè)的巨大需求，推進(jìn)原料生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)熱塑性復(fù)合材料體系、加工工藝、應(yīng)用水平的研究，提高對(duì)系列化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的支持力度，努力使國(guó)內(nèi)熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一個(gè)新的高度。

[1] 田振生，劉大偉，李剛，等. 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂預(yù)浸料的研究進(jìn)展[J]. 玻璃鋼/ 復(fù)合材料，2013(6)： 51-56.

[2] 趙雪峰，宋永珍，蔣兵，等.長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究[J].科技資訊,2012 (31):76.

[3] 朱熠，滕騰，王澤慶.模壓型熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用研究[J].汽車工藝與材料，2015(12):40-43.

[4] DeBenedictis MA. Glass fiber/polypropylene prepregs produced by electrostatic fluidized bed powder fusion coating[D]. Georgia Institute of Technology，1991.

[5] 方立. 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制備及其性能的研究[D]. 上海：華東理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.

[6] 杜善義. 先進(jìn)復(fù)合材料和航空航天[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007(1)：1-12.

[7] 黃漢生. 復(fù)合材料在飛機(jī)主結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用動(dòng)向[J]. 化工新型材料，2004(10)：51-52.

[8] 張婷. 高性能熱塑性復(fù)合材料在大型客機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用[J]. 航空制造術(shù),2013(15): 32-35.

Research on Thermoplastic Composites and its Application in the Field of Aviation

GUO Yunzhu

(Harbin FRP Institute, Harbin 150036)

This paper introduces the classification and composition of thermoplastic composites, and briefly describes the short fiber reinforced thermoplastics(SFT), long fiber reinforced thermoplastics(LFT), glass mat reinforced thermoplastics(GMT), preimpregnated fabric and unidirectional continuous fiber reinforced thermoplastics (CFRTP) in their respective continuous fiber reinforced thermoplastics resin of the mainstream of presoak material preparation technology. In combination with high performance thermoplastic composites application in the field of foreign aviation, prospects the development direction of it in China.

thermoplastic composites；SFT；LFT； GMT；CFRTP；powder method；molten impregnation technology；commingled fibers method；film stacking technique；solvent method

2016-08-12)

郭云竹(1982-)，女，本科，工程師。研究方向：復(fù)合材料應(yīng)用。E-mail： frpgyz@163.com.