基于熱壓成型工藝的熱塑性復(fù)合材料在民機上的應(yīng)用

史曉輝

（上海飛機設(shè)計研究院，中國 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：

（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， 而傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料則按小時計，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， 抗裂紋擴展能力較好[2]。 因此，一些機體下部的艙門口蓋都會選擇熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如?？?0 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，可以重新加熱成形，從而降低廢品率。

（4）可以實現(xiàn)產(chǎn)品減重。 針對熱塑性樹脂的特性，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結(jié)構(gòu)的重量。

（5）儲存成本低。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存，同時，也沒有操作壽命限制，可以無限期儲存和使用。

（6）良好的抗?jié)駸嵝阅?。某些熱塑性?fù)合材料的長期使用溫度可達 250 ℃以上，并且耐溶性極優(yōu)，可在濕熱環(huán)境下長期使用[2]。

（7）耐熱、防火、低排煙和抗毒性能優(yōu)良[4]。

正因為這些優(yōu)異的性能， 使得熱塑性復(fù)合材料在民機結(jié)構(gòu)上有著巨大的應(yīng)用潛力，自從上個世紀60 年代國外科研院所、 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 了 一 項 名 為 TAPAS（Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure） 的 熱塑性復(fù)合材料研發(fā)項目[5]。 項目中包括了空客公司、荷蘭?？撕娇战Y(jié)構(gòu)公司、TenCate Composite 先進復(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、 機 載 復(fù) 材 公 司、KE 工 廠 公 司、CODET 公司、荷蘭國家航空實驗室（NLR）、Delft 技術(shù)大學(xué)和Twente 大學(xué)等。 該項目的目標(biāo)是研發(fā)出熱塑性復(fù)合材料大尺寸飛機主結(jié)構(gòu)， 項目已成功研制出了熱塑性復(fù)合材料平尾盒段和機身壁板驗證件（圖1）。

法國Stelia 航宇公司啟動了一項名為 “Arches Box TP”的研發(fā)項目（2015-2017），并在巴黎航展上展出了一個全尺寸熱塑性機身驗證件（圖2）.

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

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

圖1 TAPAS 項目熱塑性復(fù)合材料機身壁板驗證件

圖2 Arches Box TP 項目機身壁板驗證件

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、自動鋪帶工藝、自動鋪絲工藝、真空袋成型工藝等[6]。 其中熱壓成型工藝是目前應(yīng)用最為成熟的一項技術(shù)，該項技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了波音、 空客等公司的認證， 并在多種型號成熟民機上應(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)前民機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用情況， 并分析了該技術(shù)在國產(chǎn)大飛機上的應(yīng)用潛力及需要重點進行研發(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)在多種型號的民機上成熟應(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，機加至凈尺寸。

以機身角片為例， 其整個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）相比，具有明顯的優(yōu)勢。 該工藝可以利用機器人手臂等設(shè)備實現(xiàn)自動化生產(chǎn)， 極大地提高生產(chǎn)效率。 該工藝非常適合應(yīng)用在民用飛機中尺寸較小、數(shù)量巨大、形式簡單的結(jié)構(gòu)中，如機身連接框與蒙皮的機身角片以及活動面和操縱面的肋等。

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)用到空客的多種機型上。 機體結(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。 制造商將板材進行相應(yīng)的機加和熱壓， 即可得到所設(shè)計的零件。 在制件過程中無需進行鋪貼操作，節(jié)省了大量的人力和時間成本。

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60 年代以來， 高性能纖維增強熱塑性復(fù)合材料就受到歐美日等發(fā)達國家的重視， 并取得許多突破性進展。 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、 ?？说裙境晒?yīng)用到機身、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 飛機的機翼前緣結(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)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重20%[7]。

圖6 空客A340-500/600 飛機機翼固定前緣肋

A350XWB 飛機的機身角片（圖7）也全部采用熱塑性復(fù)合材料通過熱壓成型工藝進行制造。 空客A350XWB 機身連接角片數(shù)量共有約5000 到6000 個， 涉及到400 到500 種類型，通過采用碳纖維織物增強的PPS 熱塑性復(fù)合材料進行熱壓制造， 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，降低了成本。

圖7 空客A350XWB 飛機機身角片結(jié)構(gòu)

灣流公司的新型G650 飛機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)）進行連接裝配，并獲得了JEC2010 創(chuàng)新獎（圖8）。

圖8 灣流G65 0 飛機方向舵

巴西航空工業(yè)公司的飛鴻 （Phenom）100 噴氣式公務(wù)機水平尾翼肋也采用由TenCate Composite 公司提供的碳纖維織物增強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。

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)合材料在國產(chǎn)客機上的應(yīng)用前景

國產(chǎn)客機結(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的高性能復(fù)合材料， 在國產(chǎn)客機上的應(yīng)用前景廣闊， 通過先進熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用可以起到降低成本，提高生產(chǎn)率，同時以產(chǎn)業(yè)帶動國內(nèi)科研院所對熱塑性復(fù)合材料的研發(fā)，縮小與國外的技術(shù)差距。 國內(nèi)基于熱壓成型的熱塑性復(fù)合材料民機結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面， 需要重點進行攻關(guān)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下幾點：

（1）原材料制備與驗證

經(jīng)過多年的研制，國外熱塑性復(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)一直受到國外的嚴格限制，國內(nèi)雖然已經(jīng)在原材料的研制方面積累了一些經(jīng)驗，攻克了一些制約技術(shù)，但是材料的穩(wěn)定性一直都是國產(chǎn)材料商品化并最終實現(xiàn)民機結(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)國內(nèi)積累還比較少， 目前還沒有可以用于民機結(jié)構(gòu)的經(jīng)過適航驗證的材料規(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， 而國內(nèi)還沒有類似的國產(chǎn)設(shè)備。 國內(nèi)科研院所也只能通過采購國外的成熟設(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)計等方面。 實際生產(chǎn)中如何嚴格控制熱壓過程中模壓溫度、壓力及保壓時間等成型工藝參數(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)計也對最終制件的質(zhì)量有重要影響。 因此，需要從試片級工藝試驗開始，經(jīng)過細節(jié)件級工藝試驗到典型件級工藝試驗，對熱塑性復(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。 另外， 針對熱塑性復(fù)合材料的分析驗證技術(shù)， 由于熱塑性復(fù)合材料的非線性及大變形特征， 傳統(tǒng)的針對熱固性復(fù)合材料的試驗標(biāo)準(zhǔn)對于熱塑性復(fù)合材料的適用性也需要進行驗證。

只有在上述材料、工藝、設(shè)計與分析等幾個方面有所突破，才能使熱塑性復(fù)合材料在國內(nèi)民機結(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結(jié)構(gòu)應(yīng)用上的一個趨勢， 本文總結(jié)了目前國外熱壓成型熱塑性復(fù)合材料在民機領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用情況， 同時， 分析了目前國內(nèi)需要在該領(lǐng)域內(nèi)進行重點研發(fā)攻關(guān)的幾個重點關(guān)鍵技術(shù)，只有在材料、工藝、設(shè)計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結(jié)構(gòu)的相關(guān)材料規(guī)范和工藝規(guī)范的編寫與驗證， 才能促進熱塑性復(fù)合材料在民機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，提高國產(chǎn)民機的先進性。