熱塑性樹脂基復合材料在民機上的應用研究

李明

【摘 要】熱塑性樹脂基復合材料以其獨特的性能在工程應用領域受到青睞，它能為工程技術人員在嚴苛環境中的使用提供多種性能優勢，同時能夠有效降低生產與維護成本。本文介紹了熱塑性樹脂基復合材料的特點、在民用飛機上的應用以及相關成型工藝，并對其在國產民機上的應用進行了展望。

【關鍵詞】熱塑性樹脂基復合材料；注塑成型；熱壓成型；自動鋪放成型

0 引言

減輕重量、提高可靠性與耐久性、降低制造與維護成本、改善材料的環境友好性，是航空工業領域的追求目標，它不斷推動纖維增強樹脂基復合材料等尖端高性能材料的研發與生產。纖維增強樹脂基復合材料一般指采用碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等增強的樹脂基復合材料，包括短纖維、長纖維和混合纖維，纖維增強物主要用于提供力學性能，樹脂用于固定纖維增強物同時給予材料特殊的理化性能，按基體成分可分為熱固性樹脂基纖維增強復合材料和熱塑性樹脂基纖維增強復合材料，與金屬材料相比具有較高的比強度、比剛度、良好的抗沖擊性、優越的抗疲勞性能和耐腐蝕性。

復合材料在飛機上的用量和應用部位已經成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一。目前飛機上廣泛使用的是熱固性樹脂基纖維增強復合材料，其常用的加工過程是將纖維增強熱固性樹脂預浸料送入熱壓罐加熱加壓成型。熱固性樹脂只能一次加熱成型，加工過程中發生固化，形成不熔合不溶解的網狀交聯型高分子化合物，材料的制造和保存及熱壓罐成本非常高，此外熱固性樹脂基復合材料具有抗高溫性能差、生產效率低、廢料難以回收等缺點，以上問題也制約著熱固性樹脂基纖維增強復合材料在飛機上的應用發展[1]。

民用飛機上常用的熱塑性樹脂包括聚醚酰亞胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK），可以以多種形式存在，如短纖維增強樹脂顆粒、預浸料、擠壓預成型板等。熱塑性樹脂常溫下為固體，是線性或帶少量支鏈的聚合物，分子間無交聯，成型加工過程中，樹脂經加壓受熱即軟化和流動，不發生化學反應，經冷卻即可定型，在反復加熱定型過程中，熱塑性分子結構基本不發生變化，與熱固性樹脂基復合材料對比具有以下優點[2～3]：

1）熱塑性樹脂線性分子鏈的結構韌性及斷裂伸長率遠大于熱固性樹脂體型網狀結構，具有較高的韌性、抗沖擊性能和良好的抗裂紋擴展能力；

2）優異的抗濕熱、耐溶劑、耐熱、防火、低排煙和抗毒性能以及較低的孔隙率；

3）成型周期短，生產效率高，加熱過程中僅僅發生加熱變軟和冷卻變硬的物理變化，成型周期一般按分鐘計，可有效降低制造和使用成本；

4）具有重塑性，制品可重復加工；

5）可實現結構減重，熱塑性樹脂基復合材料結構件間可以直接熔融焊接，從而節省了熱固性復合材料使用鈦合金緊固件的重量和成本，也保證了結構表面的齊平度；

6）加工性能好，可制成復雜形狀，適用于自動化生產及其他熱塑性工藝過程；

7）儲存成本低，不必低溫存放，可長期貯存。

正是因為熱塑性樹脂基復合材料在人工成本、生產效率、減重等各個方面的優勢，在未來的幾年，熱塑性樹脂基復合材料憑借其特有的優勢取代金屬和其它傳統熱固性樹脂基復合材料的機會正在增加。

1 熱塑性樹脂基復合材料在民機上的應用現狀

20世紀60年代以來，熱塑性樹脂基復合材料由于其優異的材料性能受到歐洲、美國、日本等國家的重視，尤其是近年來取得許多突破性進展，并在一些部件上成為熱固性樹脂基復合材料強有力的競爭對手，如表1所示。

歐洲空中客車和美國波音公司通過在相關機型上使用熱塑性樹脂基復合材料，取得了良好的減重和降低成本的效果，如空客A350XWB和波音B787飛機機身連接角片通過采用碳纖維/PPS熱塑性復合材料進行加工制造，充分發揮了熱塑性樹脂基復合材料成型周期短、生產效率高、可循環利用等優勢，有效降低了成本。而最具代表性的是空客A340和A380飛機上采用的J型機翼熱塑性復合材料固定前緣，該零件由空客和?？斯竟餐邪l，采用TenCate公司的玻璃纖維/PPS熱塑性樹脂基復合材料替代原金屬和熱固性復合材料的混雜結構，蒙皮與子肋、加強筋連接時采用焊接技術，從而省去了機械連接，大大減少了結構重量及裝配周期，改善了損傷容限和可檢測性，實現結構減重20%，試飛以來尚未發現機翼固定前緣出現任何故障。

灣流公司與?？斯痉e極合作發揮在熱塑性樹脂基復合材料技術上的優勢，并結合荷蘭KVE公司的焊接技術，成功將熱塑性樹脂基復合材料應用到G650飛機的方向舵和升降舵中，依據?？斯镜膱蟾嬖摲桨赶鄬υ缙诘钠渌O計獲得了10%的減重和20%的制造成本減低。

空客公司、福克公司、TenCate公司、KVE公司、代爾夫特大學等八所從事熱塑性復合材料研究的機構成立了TAPAS （Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structures）協會，開啟了熱塑性復合材料主結構件研究項目，為未來飛機研制提供一項成熟的可用于制造大型主承力結構的熱塑性樹脂基復合材料技術，主要包括：研發并認證合適的材料、對接和焊接、壓力成型和纖維鋪放等技術。

2 熱塑性樹脂基復合材料成型工藝

國外通過幾十年的預研和試驗驗證，熱塑性樹脂基復合材料原材料的制造和成型技術已經相當成熟。國內熱塑性樹脂基復合材料原材料的生產在經過近些年的發展也積累了一些經驗，制約該種材料應用的瓶頸問題也逐步得到解決，部分產品甚至已經達到商品化的水平并實現產業化。熱塑性樹脂基復合材料常用的制備技術包括：熔融預浸法、懸浮預浸法、粉末預浸法、纖維混雜法、原位聚合法、薄膜鑲嵌法等。經過上述工藝可制備出原材料或預形件，通過進一步成型加工才能得到最終產品，熱塑性樹脂基復合材料的典型成型工藝介紹如下：

2.1 注塑成型

注塑成型是生產短纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的主要方法，其基本工藝過程是先烘干纖維增強的熱塑性顆粒，然后加熱進料設備及模具，將熱塑性顆粒加熱融化后在一定的壓力下將熔融物注入到模具中，經冷卻固化后即得到成型品。該方法生產效率高、產品適應性強、制品尺寸精確，適用于非主承力部件的批量生產。

2.2 熱壓成型[4]

熱壓成型是長纖維增強熱塑性樹脂基復合材料在航空制件成型中的主要方法，一般用于制造非主承力薄壁結構件。按照所用設備不同可以分為：模壓成型、組合模成型、沖壓成型、隔膜成型、水壓成型、橡膠模壓成型、滾壓成型等。其基本工藝過程是將單向或織物預浸料按設計裁剪后，依照預定的方向鋪貼成需要的厚度，然后通過加熱、加壓將其固結后得到成型品。熱壓成型可以制備復雜形狀的零件、尺寸控制好、機械加工少、生產效率高，但同時也受壓機尺寸、模具成本等限制。

熱壓成型有三個關鍵因素：1）支撐框架：用于將鋪貼好的預成型體送入熱源，并在基體軟化期間支撐預成型體，然后將其送入成型模具內；2）加熱源：用于在短時間內將預成型體均勻加熱到其工藝溫度；3）熱壓機：可以迅速閉合并提供足夠的壓緊力以成型結構件。

2.3 熱壓罐成型

熱壓罐成型的原理是利用熱壓罐內部均勻的溫度場和壓力對熱塑性復合材料進行加熱加壓，以達到成型的目的，其基本工藝過程包括：鋪層鋪放、真空壓實、真空袋系統準備、控制加熱與壓力、在熱壓罐中固化。該方法壓力均勻、制件尺寸穩定性好、可用來制造大型零件，但是成型周期長、生產成本高，在使用時還需要注意模具和熱壓罐的熱慣性高、熱塑性預浸料必須焊接到位等問題，目前僅適用于熱壓工藝難以成型的結構尺寸較大、厚度不均勻的部件，如A380飛機機翼固定前緣蒙皮。

2.4 自動鋪放成型[4]

隨著復合材料在飛機上應用結構件尺寸的不斷增大，傳統手工鋪貼技術已不能滿足大尺寸結構件研制的需要，為保證成型效率和產品質量，自動鋪放技術應運而生。自動鋪放技術是目前廣泛發展和應用的自動化成型技術之一，是將熱塑性復合材料預浸料設計剪裁、鋪貼定位、壓實等功能集合于一體，且具有工藝參數控制和質量檢測的成型技術。其基本工藝過程是將預浸帶或預浸絲由鋪帶頭加熱，并將其按照鋪層順序燙壓在模具表面上，是熱塑性復合材料低成本制造技術的一個重點研究方向。該技術適用于機翼、機身等飛機主承力結構的生產，生產效率高、制件質量好、鋪放成本低、不需要真空壓實、自動切割，但是設備的初始費用高且不適合外形復雜的零件。

2.5 纖維纏繞成型[5]

纖維纏繞成型基本工藝過程是在鋪放過程中，用熱氣噴槍加熱浸漬過熱塑性樹脂的連續纖維，并將其按照一定的規律纏繞到芯模上，然后經過固化、脫模獲得相應結構件。纏繞過程中需要采用合適的浸漬方法、合理的加熱以及匹配的纏繞速度，以防止樹脂在纏繞過程中冷卻凝固，導致層內和層間粘結不良，嚴重影響制品性能。該方法適用于大尺寸圓柱形零件，材料成本低、生產效率高，但是結構形狀受限制、大直徑零件樹脂含量難以控制、自動化要求高。

3 結束語

熱塑性樹脂基復合材料以其獨有的特性正受到航空領域的重視，隨著設計分析能力、制造成型技術的不斷進步與發展，國外越來越多的民用飛機成功的應用了熱塑性樹脂基復合材料，驗證了其用于飛機結構件的可行性。

雖然我國在支線客機和中短程窄體客機研制中積累了一定的復合材料工程應用經驗，但是所用復合材料基本還僅限于熱固性樹脂基復合材料。我國對熱塑性樹脂基復合材料的生產和開發研究較晚，目前國內產量較小、技術相對落后。因此，為了擴大熱塑性樹脂基復合材料的應用，發揮其優越性能，不僅要在結構設計與分析方法、制造工藝等方面進一步深入研究，還需加快國內自動化成型技術的研究步伐。我們有理由相信，熱塑性樹脂基復合材料在民機上的應用將會越來越廣泛。

【參考文獻】

[1]陳紹杰，申屠年.先進復合材料的近期發展趨勢[J].高科技纖維與應用，2004，29（1）：1-7.

[2]Peter M. High performance thermoplastic[J] .Plastics engineering，2007，6：18-22.

[3]劉雄亞.纖維增強熱塑性復合材料及其應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[4]牛春勻.實用飛機復合材料結構設計與制造[M].北京：航空工業出版社，2010.

[5]唐邦銘.熱塑性預浸帶纏繞工藝參數及加熱方式對成型質量及內應力的影響[J].復合材料學報，1999，16（2）：21-28.

[責任編輯：張濤]