基于熱壓成型工藝的熱塑性復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用

史曉輝

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，中國(guó) 上海 201210）

0 引言

熱塑性復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能在民用航空領(lǐng)域日益受到青睞， 其發(fā)展速度已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料[1]，高性能熱塑性復(fù)合材料與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）成型周期短，生產(chǎn)效率高。 熱塑性復(fù)合材料的成型周期一般按分鐘計(jì)， 而傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料則按小時(shí)計(jì)，可顯著降低制造成本。

（2）較高的韌性、優(yōu)良的抗蠕變能力、優(yōu)秀的損傷容限性能以及良好的抗沖擊性能， 抗裂紋擴(kuò)展能力較好[2]。 因此，一些機(jī)體下部的艙門口蓋都會(huì)選擇熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如福克50 的主起落架艙門等[3]。

（3）可反復(fù)加熱成型，循環(huán)利用，被稱為“綠色材料”。 熱塑性復(fù)合材料在加熱成型過程中僅僅發(fā)生物理變化， 不像傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料在固化時(shí)產(chǎn)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，因此，制件可以通過再加熱重新成型，利用該特性，在工件出現(xiàn)缺陷時(shí)，可以重新加熱成形，從而降低廢品率。

（4）可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品減重。 針對(duì)熱塑性樹脂的特性，熱塑性復(fù)合材料零件可通過局部加熱熔融焊接連接在一起，無需緊固件，從而有效降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量。

（5）儲(chǔ)存成本低。熱塑性復(fù)合材料的預(yù)浸料不必在低溫下存放， 不必像傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料一樣需要冷庫儲(chǔ)存，同時(shí)，也沒有操作壽命限制，可以無限期儲(chǔ)存和使用。

（6）良好的抗?jié)駸嵝阅堋Ｄ承崴苄詮?fù)合材料的長(zhǎng)期使用溫度可達(dá) 250 ℃以上，并且耐溶性極優(yōu)，可在濕熱環(huán)境下長(zhǎng)期使用[2]。

（7）耐熱、防火、低排煙和抗毒性能優(yōu)良[4]。

正因?yàn)檫@些優(yōu)異的性能， 使得熱塑性復(fù)合材料在民機(jī)結(jié)構(gòu)上有著巨大的應(yīng)用潛力，自從上個(gè)世紀(jì)60 年代國(guó)外科研院所、 企業(yè)等在熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用方面投入了大量的研發(fā)力量。

歐 洲 于 2009 年 啟 動(dòng) 了 一 項(xiàng) 名 為 TAPAS（Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure） 的 熱塑性復(fù)合材料研發(fā)項(xiàng)目[5]。 項(xiàng)目中包括了空客公司、荷蘭福克航空結(jié)構(gòu)公司、TenCate Composite 先進(jìn)復(fù)材公司、Technobis 纖維技術(shù)公司、 荷蘭熱塑性復(fù)材公司（DTC）、KVE 復(fù) 材 集 團(tuán)、 機(jī) 載 復(fù) 材 公 司、KE 工 廠 公 司、CODET 公司、荷蘭國(guó)家航空實(shí)驗(yàn)室（NLR）、Delft 技術(shù)大學(xué)和Twente 大學(xué)等。 該項(xiàng)目的目標(biāo)是研發(fā)出熱塑性復(fù)合材料大尺寸飛機(jī)主結(jié)構(gòu)， 項(xiàng)目已成功研制出了熱塑性復(fù)合材料平尾盒段和機(jī)身壁板驗(yàn)證件（圖1）。

法國(guó)Stelia 航宇公司啟動(dòng)了一項(xiàng)名為 “Arches Box TP”的研發(fā)項(xiàng)目（2015-2017），并在巴黎航展上展出了一個(gè)全尺寸熱塑性機(jī)身驗(yàn)證件（圖2）.

法國(guó)DAHER 集團(tuán)也研制出基于熱壓成型工藝的熱塑性復(fù)合材料肋（圖3），與同級(jí)別的金屬制件相比，造價(jià)相近，重量卻輕了35%。

美國(guó)的SOLVAY 公司開發(fā)了一種重量更輕，但是卻更加堅(jiān)固的熱塑性復(fù)合材料泡沫， 可用于制造泡沫夾層結(jié)構(gòu)（圖4）。

圖1 TAPAS 項(xiàng)目熱塑性復(fù)合材料機(jī)身壁板驗(yàn)證件

圖2 Arches Box TP 項(xiàng)目機(jī)身壁板驗(yàn)證件

圖3 熱塑性復(fù)合材料肋

圖4 熱塑性復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)

熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適合多種成型工藝， 其中包括：熱壓成型工藝、注塑成型工藝、纖維纏繞工藝、自動(dòng)鋪帶工藝、自動(dòng)鋪絲工藝、真空袋成型工藝等[6]。 其中熱壓成型工藝是目前應(yīng)用最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了波音、 空客等公司的認(rèn)證， 并在多種型號(hào)成熟民機(jī)上應(yīng)用。 本文主要總結(jié)了基于熱壓成型工藝的熱塑性復(fù)合材料在當(dāng)前民機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用情況， 并分析了該技術(shù)在國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)上的應(yīng)用潛力及需要重點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 熱塑性復(fù)合材料熱壓成型工藝

熱塑性復(fù)合材料熱壓成型工藝目前已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的熱塑性復(fù)合材料零件制造加工技術(shù)， 并已經(jīng)在多種型號(hào)的民機(jī)上成熟應(yīng)用。

熱壓成型主要工藝過程是：

（1）將預(yù)先固結(jié)的板材按照零件的展開圖進(jìn)行下料；

（2）將切好的料片固定在專用的框架上并連同框架一起放入烘箱進(jìn)行加熱使料片軟化；

（3）快速將軟化的料片連同框架轉(zhuǎn)移至加熱的模具上，合模，并保持一定的溫度和壓力；

（4）制件冷卻，機(jī)加至凈尺寸。

以機(jī)身角片為例， 其整個(gè)熱壓成型的工藝過程如圖5 所示。

圖5 熱塑性復(fù)合材料熱壓成型工藝過程示意圖

整個(gè)熱壓成型的過程約10 ～20 分鐘， 與傳統(tǒng)熱壓罐成型工藝（約2 小時(shí)）相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 該工藝可以利用機(jī)器人手臂等設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)， 極大地提高生產(chǎn)效率。 該工藝非常適合應(yīng)用在民用飛機(jī)中尺寸較小、數(shù)量巨大、形式簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中，如機(jī)身連接框與蒙皮的機(jī)身角片以及活動(dòng)面和操縱面的肋等。

目前歐美多家材料供應(yīng)商已經(jīng)研制出成熟的熱塑性復(fù)合材料預(yù)固化板材，如荷蘭的TenCate Composite 先進(jìn)復(fù)材公司， 其研制的PPS 體系的熱塑性復(fù)合材料已應(yīng)用到空客的多種機(jī)型上。 機(jī)體結(jié)構(gòu)制造商將結(jié)構(gòu)的鋪層反饋給材料供應(yīng)商， 由材料供應(yīng)商提供相應(yīng)鋪層的預(yù)固化板材。 制造商將板材進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)加和熱壓， 即可得到所設(shè)計(jì)的零件。 在制件過程中無需進(jìn)行鋪貼操作，節(jié)省了大量的人力和時(shí)間成本。

2 基于熱壓成型工藝的熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)60 年代以來， 高性能纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料就受到歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家的重視， 并取得許多突破性進(jìn)展。 特別是基于熱壓成型工藝的熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已被波音、 空客、 福克等公司成功應(yīng)用到機(jī)身、整流罩、升降舵、方向舵等結(jié)構(gòu)上，取得了良好的減重和降低成本的效果。

空客公司A340-500/600 飛機(jī)的機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)大量使用了熱塑性復(fù)合材料， 其中固定前緣內(nèi)部的熱塑性復(fù)合材料肋均采用熱壓成型工藝（圖6），選用的材料為玻纖織物增強(qiáng)的PPS 熱塑性復(fù)合材料 （ 由TenCate Composite 公司提供）。 該種工藝也應(yīng)用到了后續(xù)的A380飛機(jī)固定前緣結(jié)構(gòu)上。 通過將鋁合金制造的固定前緣更改為熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重20%[7]。

圖6 空客A340-500/600 飛機(jī)機(jī)翼固定前緣肋

A350XWB 飛機(jī)的機(jī)身角片（圖7）也全部采用熱塑性復(fù)合材料通過熱壓成型工藝進(jìn)行制造。 空客A350XWB 機(jī)身連接角片數(shù)量共有約5000 到6000 個(gè)， 涉及到400 到500 種類型，通過采用碳纖維織物增強(qiáng)的PPS 熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行熱壓制造， 充分發(fā)揮了熱塑性復(fù)合材料熱壓成型周期短，生產(chǎn)效率高，可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)，降低了成本。

圖7 空客A350XWB 飛機(jī)機(jī)身角片結(jié)構(gòu)

灣流公司的新型G650 飛機(jī)方向舵和升降舵肋也均采用熱塑性復(fù)合材料熱壓成型進(jìn)行制造， 熱壓成型的肋與熱塑性復(fù)合材料蒙皮和梁通過感應(yīng)焊接技術(shù) （KVE 公司研發(fā)）進(jìn)行連接裝配，并獲得了JEC2010 創(chuàng)新獎(jiǎng)（圖8）。

圖8 灣流G65 0 飛機(jī)方向舵

巴西航空工業(yè)公司的飛鴻 （Phenom）100 噴氣式公務(wù)機(jī)水平尾翼肋也采用由TenCate Composite 公司提供的碳纖維織物增強(qiáng)PPS 熱塑性復(fù)合材料通過熱壓成型工藝制造（圖9）。

基于熱壓成型工藝的熱塑性復(fù)合材料還大量的應(yīng)用在了民機(jī)的副翼肋結(jié)構(gòu)上（圖10）。

基于熱壓成型的熱塑性復(fù)合材料已經(jīng)非常成熟地應(yīng)用在民機(jī)上的次承力結(jié)構(gòu)件上， 發(fā)揮了其在成型周期、成本、重量等方面的優(yōu)勢(shì)。

圖9 Phenom 100 熱塑性復(fù)合材料水平尾翼肋

圖10 熱塑性復(fù)合材料副翼肋及其模具[8]

3 基于熱壓成型工藝的熱塑性復(fù)合材料在國(guó)產(chǎn)客機(jī)上的應(yīng)用前景

國(guó)產(chǎn)客機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量正在提高，熱塑性復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的高性能復(fù)合材料， 在國(guó)產(chǎn)客機(jī)上的應(yīng)用前景廣闊， 通過先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用可以起到降低成本，提高生產(chǎn)率，同時(shí)以產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)國(guó)內(nèi)科研院所對(duì)熱塑性復(fù)合材料的研發(fā)，縮小與國(guó)外的技術(shù)差距。 國(guó)內(nèi)基于熱壓成型的熱塑性復(fù)合材料民機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面， 需要重點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下幾點(diǎn)：

（1）原材料制備與驗(yàn)證

經(jīng)過多年的研制，國(guó)外熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的制備技術(shù)已經(jīng)成熟，并在多種機(jī)型上得到了應(yīng)用。 但是預(yù)浸料的研制技術(shù)一直受到國(guó)外的嚴(yán)格限制，國(guó)內(nèi)雖然已經(jīng)在原材料的研制方面積累了一些經(jīng)驗(yàn)，攻克了一些制約技術(shù)，但是材料的穩(wěn)定性一直都是國(guó)產(chǎn)材料商品化并最終實(shí)現(xiàn)民機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用需要解決的一大問題。

此外， 熱塑性復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)國(guó)內(nèi)積累還比較少， 目前還沒有可以用于民機(jī)結(jié)構(gòu)的經(jīng)過適航驗(yàn)證的材料規(guī)范。

（2）熱壓成型設(shè)備

在熱壓成型熱塑性復(fù)合材料的成型設(shè)備方面，國(guó)外已經(jīng)研制了成熟的設(shè)備， 如上文提到的熱壓成型生產(chǎn)線， 并成功地投入到了商業(yè)應(yīng)用中， 而國(guó)內(nèi)還沒有類似的國(guó)產(chǎn)設(shè)備。 國(guó)內(nèi)科研院所也只能通過采購(gòu)國(guó)外的成熟設(shè)備用于相關(guān)的研發(fā)工作。

（3）熱壓成型工藝

熱塑性復(fù)合材料熱壓成型工藝包括： 熱壓成型方案、 熱壓成型過程工藝參數(shù)控制、 熱壓成型模具設(shè)計(jì)等方面。 實(shí)際生產(chǎn)中如何嚴(yán)格控制熱壓過程中模壓溫度、壓力及保壓時(shí)間等成型工藝參數(shù)是保證制品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，此外，不同結(jié)構(gòu)的模具設(shè)計(jì)也對(duì)最終制件的質(zhì)量有重要影響。 因此，需要從試片級(jí)工藝試驗(yàn)開始，經(jīng)過細(xì)節(jié)件級(jí)工藝試驗(yàn)到典型件級(jí)工藝試驗(yàn)，對(duì)熱塑性復(fù)合材料的成型工藝及典型結(jié)構(gòu)的制造工藝進(jìn)行研究，確定熱壓成型工藝參數(shù)（熱壓的溫度范圍、壓力范圍、模具溫度、料片從加熱爐轉(zhuǎn)移至模具時(shí)間等）， 建立熱塑性復(fù)合材料的熱壓工藝規(guī)范，提高工藝穩(wěn)定性。

（4）熱塑性復(fù)合材料設(shè)計(jì)及分析技術(shù)

熱塑性復(fù)合材料的破壞行為與熱固性復(fù)合材料相比有很大的不同， 熱塑性基體比熱固性基體具有更好的延展性和韌性， 其損傷的起始和破壞以及最終的破壞形式都表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。 另外， 針對(duì)熱塑性復(fù)合材料的分析驗(yàn)證技術(shù)， 由于熱塑性復(fù)合材料的非線性及大變形特征， 傳統(tǒng)的針對(duì)熱固性復(fù)合材料的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于熱塑性復(fù)合材料的適用性也需要進(jìn)行驗(yàn)證。

只有在上述材料、工藝、設(shè)計(jì)與分析等幾個(gè)方面有所突破，才能使熱塑性復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)民機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用成為可能，從而發(fā)揮熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)越性能。

4 結(jié)語

基于熱壓成型的熱塑性復(fù)合材料是新型材料在民機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用上的一個(gè)趨勢(shì)， 本文總結(jié)了目前國(guó)外熱壓成型熱塑性復(fù)合材料在民機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用情況， 同時(shí)， 分析了目前國(guó)內(nèi)需要在該領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)攻關(guān)的幾個(gè)重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)，只有在材料、工藝、設(shè)計(jì)與分析等方面加大研發(fā)力度， 通過產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合， 盡快完成可用于民機(jī)結(jié)構(gòu)的相關(guān)材料規(guī)范和工藝規(guī)范的編寫與驗(yàn)證， 才能促進(jìn)熱塑性復(fù)合材料在民機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，提高國(guó)產(chǎn)民機(jī)的先進(jìn)性。