輕量化需求創(chuàng)新熱塑性復(fù)合材料角色

過去十年，復(fù)合材料的持續(xù)火熱，讓傳統(tǒng)的塑料悄然踏入民用、商用和軍用飛行器領(lǐng)域。新一代飛機(jī)數(shù)年內(nèi)就要飛上藍(lán)天，熱塑性復(fù)合材料將伴隨其中。

 

像丙烯腈二乙烯丁二烯（ABS）、聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPS）這樣的塑料目前正廣泛用于航空制造。聚醚酰亞胺是航空工業(yè)中的另一款明星材料，因?yàn)橛盟a(chǎn)的零件可以滿足美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）嚴(yán)格的火焰、煙霧和毒性（FST）要求。聚醚醚酮（PEKK）是一種先進(jìn)的高溫工程聚合物，擁有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性、熱穩(wěn)定性和阻燃性。新牌號(hào)PEKK，如HT-23，其高強(qiáng)度和輕質(zhì)使其成為有競(jìng)爭(zhēng)力的鋁替代品。

 

塑料相比鋁和其他傳統(tǒng)航空材料擁有許多優(yōu)勢(shì)，如輕質(zhì)、高強(qiáng)和高耐久性。像PEEK這樣的耐熱、無(wú)腐蝕性塑料可以代替金屬緊固件和螺釘，不需要對(duì)現(xiàn)有零件的整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行任何更改，可以直接替代OME組件。托架、襯墊、導(dǎo)向裝置、密封裝置、間隔裝置和墊圈是輕質(zhì)航空組件，耐熱塑料可以超越金屬，提供熱和機(jī)械穩(wěn)定性、絕熱性能、零可燃性、真空中的低氣體釋放，以及耐燃油和其它化學(xué)品腐蝕。

 

 

飛機(jī)結(jié)構(gòu) 舊塑料的新角色

 

盡管傳統(tǒng)塑料已經(jīng)使用了幾十年，航空工程師還在尋找其新角色。

 

航空零件生產(chǎn)商工程塑料產(chǎn)品公司（EPP）總裁阿力克斯·柯蒂斯表示：“每年，越來越多擁有獨(dú)特性能的塑料正被創(chuàng)造出來，并且正在替代金屬材料，這些特性特別適合特定的用途。塑料通常因其高強(qiáng)質(zhì)比和多種現(xiàn)代化合物的天然抗腐蝕性而成為首選。由于飛行器和航空組件通常是小批量生產(chǎn)，絕大多數(shù)塑料零件似乎不適合用模塑法，而是從基礎(chǔ)外形加工而來。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是許多塑料材料是自潤(rùn)滑的，無(wú)需加入動(dòng)物油和石油基的潤(rùn)滑油，它們會(huì)導(dǎo)致著火或爆炸危害。”阿力克斯·柯蒂斯表示：“最近塑料技術(shù)有所提高，推動(dòng)了航空產(chǎn)品中的承載、扭矩控制和齒輪傳動(dòng)能力極限的提升。擁有超級(jí)熱、化學(xué)和輻射抗性的優(yōu)質(zhì)牌號(hào)，讓塑料在航空工業(yè)中扮演越來越重要的角色。

 

密歇根技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)教授喬治·奧加德表示：“航空工業(yè)中聚合物的使用正在增加，特別是飛行器。過去鋁是主要材料，因?yàn)槠渲亓亢统杀鞠鄬?duì)低，并且耐腐蝕和耐疲勞。不過，在近20年來，聚合物材料慢慢替代了鋁，特別是飛行器的結(jié)構(gòu)上。這一增長(zhǎng)出現(xiàn)在所有領(lǐng)域，包括小型軍用和大型商業(yè)飛行器。目前還有巨大的興趣增加航天飛機(jī)的復(fù)合材料用量。比如，NASA剛投資1500萬(wàn)美元，為深空載人任務(wù)開發(fā)下一代復(fù)合材料。”

 

盡管有許多優(yōu)勢(shì)，一些航空工程師仍不情愿轉(zhuǎn)換到塑料上來。喬治·奧加德表示：“聚合物復(fù)合材料壁板比鋁壁板更難制造，也就更昂貴。而且，工程師們與鋁打了數(shù)十年交到，擁有海量的知識(shí)和信心。聚合物復(fù)合材料更新，而且我們?nèi)栽谂φ莆账鼈冊(cè)谠S多條件下的行為。比如，我們還不完全掌握聚合物復(fù)合材料如何響應(yīng)長(zhǎng)期老化。所有聚合物都會(huì)在自然條件下老化，聚合物分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生非常緩慢的催化，可能許多年才發(fā)生。聚合物還會(huì)因?yàn)楸┞对诔睗?、紫外輻射和高溫環(huán)境下而加速老化。我們?nèi)孕韪嗟亓私膺@些老化機(jī)理及其對(duì)復(fù)合材料機(jī)械完整性的影響。”

 

喬治·奧加德表示：“鋁制機(jī)身的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)就是緩解閃電擊中帶來的損傷。鋁導(dǎo)電性好，這意味著電流可以很容易穿過飛機(jī)。不過，聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)電性就相對(duì)要低。因此，必須在波音787的機(jī)身上增加一層額外的銅網(wǎng)，以耗散閃電的電流。”

 

       熱塑性替代熱固性 重新思考復(fù)合材料

 

       航空工業(yè)當(dāng)今最大的一個(gè)趨勢(shì)就是，越來越多的使用熱塑性復(fù)合材料替代熱固性復(fù)合材料，而傳統(tǒng)上是用后者來制造復(fù)合材料零件。由于熱塑性復(fù)合材料可以被融化，固化就不那么關(guān)鍵。熱塑性復(fù)合材料也沒有熱固性復(fù)合材料那么脆弱，可以用多種方式焊接。使用熱塑性復(fù)合材料制造大型整體組件可以不需要膠接，裝配的機(jī)械接頭不那么復(fù)雜，熱塑性零件裝配也不需要墊片。

 

       Victrex公司高級(jí)技術(shù)經(jīng)理斯圖亞特·格林表示：“最近幾年，許多傳統(tǒng)的金屬航空結(jié)構(gòu)都被疊層的先進(jìn)碳纖維增強(qiáng)熱固性聚合物復(fù)合材料代替，以求減重、提升燃油效率，最終降低運(yùn)營(yíng)成本。當(dāng)前，對(duì)使用熱塑性碳纖維復(fù)合材料的興趣越來越大，比如那些基于PEEK的材料，以提高制造生產(chǎn)率并滿足飛行器對(duì)提速生產(chǎn)的迫切需求。”

 

       Victrex最近與Tri-Mack塑料制造公司組建了合資企業(yè)TxV航空復(fù)合材料公司，加速聚芳醚酮（PAEK）復(fù)合材料在航空工業(yè)中的商業(yè)應(yīng)用。新公司提供的復(fù)合材料組件和組裝件，可以比常規(guī)金屬設(shè)計(jì)減重達(dá)60%。公司宣稱熱塑性復(fù)合材料的制造工藝和時(shí)間以分鐘計(jì)算，而它所替代的熱固性復(fù)合材料則以小時(shí)計(jì)算。

 

       Tri-Mack塑料總裁威爾·凱恩表示：“未來20年估計(jì)會(huì)需要35000架新飛機(jī)，而航空工業(yè)正將熱塑性復(fù)合材料視作一個(gè)可支撐如此增長(zhǎng)率的高成本效率解決方案。PAEK熱塑性復(fù)合材料的高效加工和性能優(yōu)勢(shì)，加上先進(jìn)的自動(dòng)化制造技術(shù)，將使我們滿足工業(yè)界的成本和重量挑戰(zhàn)。商用飛機(jī)使用數(shù)千個(gè)托架和系統(tǒng)連接附件，飛機(jī)上這些組件的總數(shù)量是可觀的成本和重量，尤其是它們由金屬或熱固性復(fù)合材料制造。PAEK基組件可以比常規(guī)熱固性復(fù)合材料更高效地制造。比起不銹鋼和鈦，它們可以顯著減重，同時(shí)提供同等或更好的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、剛度和疲勞性能。”

 

       GKN航空旗下?？斯臼菬崴苄詮?fù)合材料的開拓者。公司的工程師最近使用該技術(shù)生產(chǎn)空客A380飛機(jī)的機(jī)翼前緣、里奧納多AW169直升機(jī)的水平尾段，達(dá)索和灣流新型公務(wù)機(jī)的方向舵和升降舵。GKN制造了灣流G650公務(wù)機(jī)的完整平尾，包括熱塑性方向舵和升降舵，組件比傳統(tǒng)材料減重25%。組件由感應(yīng)焊連接，取消了昂貴的鉆孔和鉚接工作。

 

       福克公司采購(gòu)和供應(yīng)鏈管理副總裁Toine Verbruggen表示：“降本是通過使用快速、自動(dòng)化的熱塑性復(fù)合材料加工實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，重量通過設(shè)計(jì)薄壁結(jié)構(gòu)保持低重量，該結(jié)構(gòu)因熱塑性聚合物的性質(zhì)而極為堅(jiān)韌。未來，更多主承力結(jié)構(gòu)零件將由這種創(chuàng)新材料制成，在未來航空項(xiàng)目中扮演重要角色。”

 

       法國(guó)大合公司最近與波音簽署了一項(xiàng)合同，為787飛機(jī)提供熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)零件。這些組件將代替原本使用傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料制造的零件。大合航空航天與防務(wù)業(yè)務(wù)高級(jí)副總裁Nicolas Orance表示：“熱塑性復(fù)合材料技術(shù)在未來很有前途，可降低航空工業(yè)制造航空結(jié)構(gòu)的成本。”公司計(jì)劃使用自動(dòng)化和機(jī)器人來優(yōu)化法國(guó)南特工廠的制造工藝。

 

 

 

       打印塑料 復(fù)合材料的增材制造

 

       增材制造也在改變塑料在航空工業(yè)中的使用。比如，Victrex已經(jīng)開發(fā)了新型PAEK牌號(hào)，可用于打印外形和尺寸復(fù)雜的飛行器組件。Victrex美國(guó)公司新興業(yè)務(wù)總監(jiān)羅伯特·馬基表示：“工程師想要同樣的材料、同樣的性能，可用于注塑成形和其他更成熟的制造方法。他們想要啟動(dòng)PEEK的3D打印生產(chǎn)，再無(wú)縫轉(zhuǎn)移到注塑成形，或者拿一個(gè)注塑成形的零件并用3D打印定制。在航空工業(yè)中，工程師想要能在所需環(huán)境中存活的聚合物，可能是一系列溫度和腐蝕化學(xué)品。他們還想要已經(jīng)服役多年經(jīng)證明的材料。”

 

       法國(guó)Latecoere公司是飛行器艙門、機(jī)身和布線線束的供應(yīng)商，其工程師正使用熔融沉積成形來生產(chǎn)可代替金屬組件的塑料零件。公司研發(fā)和創(chuàng)新中心復(fù)合材料與增材制造經(jīng)理西蒙·里奧表示：“采用該技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)和制造來說都是轉(zhuǎn)型。增材制造已經(jīng)無(wú)縫集成到我們的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程中，我們已經(jīng)享受到減少的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間、降低的成本和增強(qiáng)的運(yùn)營(yíng)效率。”

 

       西蒙·里奧表示：“我們最近生產(chǎn)了一個(gè)3D打印的樣件，以驗(yàn)證飛行器艙門內(nèi)飾襯板的配合和功能。之前，這要用鈑金件并通常很費(fèi)時(shí)的工藝。而我們?cè)?天就生產(chǎn)了一個(gè)具備完全功能的樣件，減少了95%的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。”此外，Rieu及其同事還為空客生產(chǎn)了可以上天的聚醚酰亞胺零件，比如攝像頭外殼和空氣管外殼組件，比金屬的輕一半。

 

       增材制造技術(shù)還讓某些航空公司可以創(chuàng)造定制設(shè)計(jì)的塑料零件，用于飛行器座艙。比如，阿聯(lián)酋航空最近使用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)了視頻監(jiān)視器罩和座艙通風(fēng)口網(wǎng)格護(hù)欄。零件用3D系統(tǒng)公司的Dureform ProX FR1200尼龍聚合物打印。公司工程保障服務(wù)高級(jí)副總裁Ahmed Safa表示：“該技術(shù)有潛力降低座艙零件重量，而不會(huì)破壞結(jié)構(gòu)完整性或外觀。使用3D打印還將帶來許多好處，包括數(shù)千飛行器座艙內(nèi)飾組件的更高效的庫(kù)存管理。”