熱塑性樹脂基復(fù)合材料在民機上的應(yīng)用研究

李明

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

【關(guān)鍵詞】熱塑性樹脂基復(fù)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(huán)境友好性，是航空工業(yè)領(lǐng)域的追求目標(biāo)，它不斷推動纖維增強樹脂基復(fù)合材料等尖端高性能材料的研發(fā)與生產(chǎn)。纖維增強樹脂基復(fù)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(fù)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(xué)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(fù)合材料和熱塑性樹脂基纖維增強復(fù)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(yōu)越的抗疲勞性能和耐腐蝕性。

復(fù)合材料在飛機上的用量和應(yīng)用部位已經(jīng)成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要指標(biāo)之一。目前飛機上廣泛使用的是熱固性樹脂基纖維增強復(fù)合材料，其常用的加工過程是將纖維增強熱固性樹脂預(yù)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(fā)生固化，形成不熔合不溶解的網(wǎng)狀交聯(lián)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(fù)合材料具有抗高溫性能差、生產(chǎn)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(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用發(fā)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(yù)浸料、擠壓預(yù)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(lián)，成型加工過程中，樹脂經(jīng)加壓受熱即軟化和流動，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)冷卻即可定型，在反復(fù)加熱定型過程中，熱塑性分子結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變化，與熱固性樹脂基復(fù)合材料對比具有以下優(yōu)點[2～3]：

1）熱塑性樹脂線性分子鏈的結(jié)構(gòu)韌性及斷裂伸長率遠(yuǎn)大于熱固性樹脂體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，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(yōu)異的抗?jié)駸?、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(chǎn)效率高，加熱過程中僅僅發(fā)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(fù)加工；

5）可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，熱塑性樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件間可以直接熔融焊接，從而節(jié)省了熱固性復(fù)合材料使用鈦合金緊固件的重量和成本，也保證了結(jié)構(gòu)表面的齊平度；

6）加工性能好，可制成復(fù)雜形狀，適用于自動化生產(chǎn)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(fù)合材料在人工成本、生產(chǎn)效率、減重等各個方面的優(yōu)勢，在未來的幾年，熱塑性樹脂基復(fù)合材料憑借其特有的優(yōu)勢取代金屬和其它傳統(tǒng)熱固性樹脂基復(fù)合材料的機會正在增加。

1 熱塑性樹脂基復(fù)合材料在民機上的應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代以來，熱塑性樹脂基復(fù)合材料由于其優(yōu)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(fù)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(guān)機型上使用熱塑性樹脂基復(fù)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(fù)合材料進行加工制造，充分發(fā)揮了熱塑性樹脂基復(fù)合材料成型周期短、生產(chǎn)效率高、可循環(huán)利用等優(yōu)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(fù)合材料固定前緣，該零件由空客和?？斯竟餐邪l(fā)，采用TenCate公司的玻璃纖維/PPS熱塑性樹脂基復(fù)合材料替代原金屬和熱固性復(fù)合材料的混雜結(jié)構(gòu)，蒙皮與子肋、加強筋連接時采用焊接技術(shù)，從而省去了機械連接，大大減少了結(jié)構(gòu)重量及裝配周期，改善了損傷容限和可檢測性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重20%，試飛以來尚未發(fā)現(xiàn)機翼固定前緣出現(xiàn)任何故障。

灣流公司與?？斯痉e極合作發(fā)揮在熱塑性樹脂基復(fù)合材料技術(shù)上的優(yōu)勢，并結(jié)合荷蘭KVE公司的焊接技術(shù)，成功將熱塑性樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用到G650飛機的方向舵和升降舵中，依據(jù)?？斯镜膱蟾嬖摲桨赶鄬υ缙诘钠渌O(shè)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(xué)等八所從事熱塑性復(fù)合材料研究的機構(gòu)成立了TAPAS （Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structures）協(xié)會，開啟了熱塑性復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的熱塑性樹脂基復(fù)合材料技術(shù)，主要包括：研發(fā)并認(rèn)證合適的材料、對接和焊接、壓力成型和纖維鋪放等技術(shù)。

2 熱塑性樹脂基復(fù)合材料成型工藝

國外通過幾十年的預(yù)研和試驗驗證，熱塑性樹脂基復(fù)合材料原材料的制造和成型技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。國內(nèi)熱塑性樹脂基復(fù)合材料原材料的生產(chǎn)在經(jīng)過近些年的發(fā)展也積累了一些經(jīng)驗，制約該種材料應(yīng)用的瓶頸問題也逐步得到解決，部分產(chǎn)品甚至已經(jīng)達(dá)到商品化的水平并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。熱塑性樹脂基復(fù)合材料常用的制備技術(shù)包括：熔融預(yù)浸法、懸浮預(yù)浸法、粉末預(yù)浸法、纖維混雜法、原位聚合法、薄膜鑲嵌法等。經(jīng)過上述工藝可制備出原材料或預(yù)形件，通過進一步成型加工才能得到最終產(chǎn)品，熱塑性樹脂基復(fù)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(chǎn)短纖維增強熱塑性樹脂基復(fù)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(shè)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(jīng)冷卻固化后即得到成型品。該方法生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品適應(yīng)性強、制品尺寸精確，適用于非主承力部件的批量生產(chǎn)。

2.2 熱壓成型[4]

熱壓成型是長纖維增強熱塑性樹脂基復(fù)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(jié)構(gòu)件。按照所用設(shè)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(yù)浸料按設(shè)計裁剪后，依照預(yù)定的方向鋪貼成需要的厚度，然后通過加熱、加壓將其固結(jié)后得到成型品。熱壓成型可以制備復(fù)雜形狀的零件、尺寸控制好、機械加工少、生產(chǎn)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(guān)鍵因素：1）支撐框架：用于將鋪貼好的預(yù)成型體送入熱源，并在基體軟化期間支撐預(yù)成型體，然后將其送入成型模具內(nèi)；2）加熱源：用于在短時間內(nèi)將預(yù)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(jié)構(gòu)件。

2.3 熱壓罐成型

熱壓罐成型的原理是利用熱壓罐內(nèi)部均勻的溫度場和壓力對熱塑性復(fù)合材料進行加熱加壓，以達(dá)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(tǒng)準(zhǔn)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(wěn)定性好、可用來制造大型零件，但是成型周期長、生產(chǎn)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(yù)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(jié)構(gòu)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(fù)合材料在飛機上應(yīng)用結(jié)構(gòu)件尺寸的不斷增大，傳統(tǒng)手工鋪貼技術(shù)已不能滿足大尺寸結(jié)構(gòu)件研制的需要，為保證成型效率和產(chǎn)品質(zhì)量，自動鋪放技術(shù)應(yīng)運而生。自動鋪放技術(shù)是目前廣泛發(fā)展和應(yīng)用的自動化成型技術(shù)之一，是將熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料設(shè)計剪裁、鋪貼定位、壓實等功能集合于一體，且具有工藝參數(shù)控制和質(zhì)量檢測的成型技術(shù)。其基本工藝過程是將預(yù)浸帶或預(yù)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(fù)合材料低成本制造技術(shù)的一個重點研究方向。該技術(shù)適用于機翼、機身等飛機主承力結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、制件質(zhì)量好、鋪放成本低、不需要真空壓實、自動切割，但是設(shè)備的初始費用高且不適合外形復(fù)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(xù)纖維，并將其按照一定的規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)過固化、脫模獲得相應(yīng)結(jié)構(gòu)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(dǎo)致層內(nèi)和層間粘結(jié)不良，嚴(yán)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(chǎn)效率高，但是結(jié)構(gòu)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(jié)束語

熱塑性樹脂基復(fù)合材料以其獨有的特性正受到航空領(lǐng)域的重視，隨著設(shè)計分析能力、制造成型技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，國外越來越多的民用飛機成功的應(yīng)用了熱塑性樹脂基復(fù)合材料，驗證了其用于飛機結(jié)構(gòu)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(fù)合材料工程應(yīng)用經(jīng)驗，但是所用復(fù)合材料基本還僅限于熱固性樹脂基復(fù)合材料。我國對熱塑性樹脂基復(fù)合材料的生產(chǎn)和開發(fā)研究較晚，目前國內(nèi)產(chǎn)量較小、技術(shù)相對落后。因此，為了擴大熱塑性樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用，發(fā)揮其優(yōu)越性能，不僅要在結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)自動化成型技術(shù)的研究步伐。我們有理由相信，熱塑性樹脂基復(fù)合材料在民機上的應(yīng)用將會越來越廣泛。

【參考文獻】

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[責(zé)任編輯：張濤]