高性能熱塑性復合材料在航空發(fā)動機短艙上的應用

周冰潔，張代軍，張英杰，王 維，姚佳楠

（1.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海 200241；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3.東華大學先進低維材料中心纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620）

樹脂基復合材料以其輕質高強、抗疲勞、耐腐蝕等一系列性能優(yōu)勢，逐漸發(fā)展成為航空結構不可或缺的材料體系。按照基體樹脂的種類，可以將樹脂基復合材料分為熱固性和熱塑性兩大類。由于熱塑性復合材料預浸料制備及成型加工困難大，限制了其在飛機及發(fā)動機結構的廣泛應用。以往針對熱固性復合材料的研究較多，應用也較為成熟。然而熱固性復合材料的韌性不足，受低速沖擊載荷存在敏感的分層問題，限制了其在航空結構上的進一步應用。

熱塑性樹脂由于本身的凝聚態(tài)結構賦予其高韌性，使其復合材料相對傳統(tǒng)的熱固性復合材料具有更為優(yōu)異的性能，以及廣闊的應用前景。除性能要求外，國內外對于航空業(yè)的環(huán)保性提出了更高的要求，歐盟據此提出了針對性的大型科研計劃——“清潔天空（Clean Sky）”計劃，目的在于通過降低能耗和噪聲污染，減小航空運輸對環(huán)境的影響。由于熱塑性復合材料的成型過程中不發(fā)生化學反應，因此具有可回收再利用的獨特優(yōu)勢，在提升性能的同時，對環(huán)境友好。同時，其預浸料可在常溫下無限期儲存，成型效率高，能夠有效降低制造成本。

由于以上優(yōu)勢，熱塑性復合材料已在大型民航飛機、直升機等航空領域取得廣泛應用。如空客A350飛機機身卡箍采用TenCate公司的碳纖維織物增強PPS熱塑性復合材料制造，如圖1所示；空客H-160 直升機采用碳纖維增強PEEK 熱塑性復合材料代替原鈦合金材料制造旋翼槳轂中央件，在降低制造成本、減輕重量的同時，提高了結構損傷容限及可維護性，標志著熱塑性復合材料在直升機主承力結構上的成功應用，如圖2所示。

在航空發(fā)動機領域，熱塑性復合材料雖無法滿足渦輪盤等熱端部件的使用要求，但在發(fā)動機冷端部件及短艙結構上具有廣闊的應用空間。目前，國外廠商已經在吊掛、進氣道降噪聲襯等部位使用大量熱塑性復合材料，并有GKN 航空?？斯镜膶＜艺J為在風扇罩上可以借鑒飛機經驗應用熱塑性復合材料，如圖3所示[1]。

1 高性能熱塑性復合材料及其成型工藝

目前航空結構中使用的復合材料絕大多數采用環(huán)氧、雙馬、聚酰亞胺等熱固性樹脂作為基體。與熱固性樹脂基復合材料相比，熱塑性樹脂基復合材料具有下列優(yōu)勢：

圖1 空客A350熱塑性復合材料機身卡箍Fig.1 Thermoplastic composite fuselage clip of Airbus A350

圖2 空客H–160直升機熱塑性復合材料槳轂中央件Fig.2 Thermoplastic composite rotor hub of Airbus H–160 helicopter

（1）經合理優(yōu)化凝聚態(tài)結構的熱塑性基體具有較高的基體韌性，熱塑性樹脂基復合材料耐疲勞性能好，沖擊損傷阻抗和損傷容限都比熱固性樹脂基復合材料高。

（2）孔隙率低，吸濕率低，耐環(huán)境性能好。

（3）成型過程為熔融–固結的物理過程，沒有固化反應，因此可重復成型和焊接成型，成型周期短、效率高、可修補。

（4）熱塑性預浸料可以室溫儲存，且有近乎無限的儲存期。

經過多年的技術積累，國外已逐步建立起熱塑性復合材料完整的技術體系，主要供應商包括荷蘭的TenCate、美國的Cytec 等公司，近年來，德國Evonik公司以及日本Teijin公司也陸續(xù)開發(fā)了熱塑性復合材料體系。國外熱塑性復合材料制造商主要提供的熱塑性復合材料有碳纖維、玻璃纖維及芳綸纖維增強的聚醚酰亞胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）等高性能熱塑性樹脂。這其中以荷蘭TenCate公司的材料體系及應用技術體系最為完整。表1列舉了國外著名制造商商品化的熱塑性預浸料牌號[2–12]，已形成不同種類、不同耐溫等級的材料體系，并在航空發(fā)動機、商用大飛機、直升機，以及無人機等各類航空結構上均取得廣泛應用。

除完善的材料體系外，國外在熱塑性復合材料的成型工藝方面也已發(fā)展了包括模壓成型、熱壓罐成型、隔膜成型、沖壓成型以及自動鋪放成型（Automated Fiber Placement,AFP）等多種成型工藝技術。

圖3 熱塑性復合材料在航空發(fā)動機短艙上的應用Fig.3 Applications of thermoplastic composites on areo-engine nacelles

表1 國外商品化的熱塑性預浸料牌號Table1 Brand of foreign commercial thermoplastic prepreg

其中，AFP技術目前已成為熱塑性復合材料低成本快速成型工藝技術的代表。由于熱塑性復合材料的成型是一個先熔化再凝固的物理變化過程，采用AFP技術，實現(xiàn)了對預浸料加熱融化、自動鋪放、原位固化的同步工藝過程實施，從而極大地提高了成型效率、降低了能耗，降低了復合材料的制造成本，AFP 成型過程如圖4所示[13–14]。對于大尺寸制件，采用AFP技術避免了固化時由于使用熱壓罐對于制件尺寸的限制，以及模具熱膨脹系數不匹配的問題。此外，利用單向帶短切纖維模壓成型也為復合材料工程應用提供了另一種低成本高性能的思路，特別用以替代現(xiàn)有鋁合金結構方案時優(yōu)勢明顯，如圖5所示，為TenCate 眼鏡蛇復合材料結構團隊（Cobra Composite Structures，CCS）采用熱塑性團狀模塑料（Bulk Molding Compound）通過模壓工藝成型制件過程。

國內高性能熱塑性復合材料研究開始于“七五”計劃期間，最早由吉林大學開展國產PEEK 研制，“八五”至“十五”期間陸續(xù)與北京航空材料研究院合作開展了淤漿法、靜電粉末法等預浸料制備及復合材料制造技術研究，完成了以某型固定翼運輸機為型號背景的加筋口蓋及加筋壁板類結構的制造工藝驗證及裝機驗證考核。但后期受樹脂穩(wěn)定性、預浸料制造工藝等限制，國產高性能熱塑性復合材料的應用研究幾乎停滯不前。

近來，東華大學先進低維材料中心熱塑性復合材料科研團隊（原吉林大學團隊），在近20年的PEEK、PAEK 樹脂合成及改性工作基礎上，開展了連續(xù)纖維增強PEEK 預浸料及其復合材料的研究工作。其中，所研制的樹脂基體（LP–PEEK和CO–PEEK）與國外熱塑性復合材料用專用樹脂基體相比，玻璃化轉變溫度提高約10℃，但完全熔融溫度降低約40℃，即可在較低成型溫度下，獲得性能更優(yōu)的熱塑性復合材料，如表2所示。

圖4 自動鋪放成型技術Fig.4 Automated fiber placement

圖5 TenCate公司熱塑性團狀模塑料模壓工藝成型過程Fig.5 Molded parts fabricating using bulk molding compounds by TenCate

同時，采用東華大學先進低維材料中心熱塑性復合材料科研團隊（原吉林大學團隊）自主研發(fā)的熱熔預浸料設備，研制了連續(xù)碳纖維增強PEEK 窄帶預浸料（幅寬100mm），如圖6所示，并采用熱壓成型工藝制備了復合材料層合板，經超聲波A 掃描無損檢測，結果顯示層板內部質量完好，如圖7所示。

此外，針對熱塑性復合材料自動化成型工藝，東華大學與南京航空航天大學合作開展了基于熱塑性預浸料的自動鋪絲工藝驗證，結果表明預浸料樹脂的低熔融溫度特性，降低了成型工藝溫度，基本滿足了自動鋪絲工藝性要求，如圖8所示。

2 熱塑性復合材料在航空發(fā)動機短艙上的應用

由于民機噪聲指標已成為適航取證的強制性指標，為降低發(fā)動機噪聲，在研究發(fā)動機降噪技術的同時，發(fā)動機短艙結構的降噪技術也在不斷發(fā)展，消音襯墊技術是其中一種主要技術方案[15–16]。該結構為具有消聲功能性的復合材料蜂窩夾層結構，TenCate公司開發(fā)的CF/PEI 熱塑性復合材料層板，作為發(fā)動機短艙進氣道降噪聲襯蜂窩結構面板，已在空客A380飛機發(fā)動機上實現(xiàn)商業(yè)化應用，如圖9所示。為保證飛機降落時迅速減速，縮短制動距離，減小制動器的磨損，發(fā)動機上均采用反推力裝置。反推力裝置開啟時，使發(fā)動機外涵道氣流流動方向發(fā)生大于90°的折轉，從而在與正常推力相反的方向上產生推力分量，達到使飛機減速的目的[17]。反推力裝置所處的工作環(huán)境，對于材料的短時耐高溫性能提出了較高的要求，以PEEK、PEKK為基體的高性能熱塑性復合材料有望成為反推力裝置選材的備選方案。風扇罩是位于發(fā)動機短艙中部的整流罩，與飛機結構類似，或成為短艙研制方開展熱塑性復合材料應用的首選部件。

表2 熱塑性預浸料用PEEK性能對比Table2 Comparison of PEEK properties for thermoplastic prepreg

圖6 國內自主研發(fā)的熱熔法連續(xù)碳纖維增強PEEK窄帶預浸料Fig.6 Domestic independently developed continuous carbon fiber reinforced PEEK narrow prepreg by hot-melt method

熱塑性復合材料的另一個重點應用部位是發(fā)動機短艙吊掛，如圖10所示。A340飛機發(fā)動機短艙吊掛表面由12類、共22件蒙皮結構覆蓋，均采用CF/PPS 材料制造。結構長度700～1400mm，寬度200～400mm，厚度2.8mm，具有復雜雙曲率外形，表面鋪設有防雷擊銅網表面，如圖11所示。

圖7 國產預浸料模壓工藝成型連續(xù)碳纖維增強PEEK復合材料層板Fig.7 Continuous carbon fiber reinforced PEEK composite laminates molded by molding process using domestic prepreg

圖8 國內熱塑性預浸料自動鋪絲工藝驗證Fig.8 Process validation of automated fiber placement using domestic thermoplastic prepreg

圖9 空客A380飛機發(fā)動機短艙降噪聲襯熱塑性復合材料蜂窩結構Fig.9 Honeycomb sandwich thermoplastic composites for noise reduction liners of Airbus A380 aircraft engine nacelles

由法國Daher公司承制的空客A380飛機發(fā)動機短艙吊架蒙皮如圖12所示。該結構是A380飛機發(fā)動機上50 塊短艙吊架蒙皮之一，采用TenCate Cetex TC1100 CF/PPS 材料制造。該材料除具有優(yōu)異的韌性和耐腐蝕性之外，還具有自熄阻燃性，可采用沖壓工藝成型，從而極大提高了成型效率[18]。圖13為位于法國圖盧茲的空客總裝廠在對A380飛機發(fā)動機吊架進行總裝前的最后測試[19]。

目前，荷蘭針對熱塑性復合材料的大型科研項目——“熱塑性經濟可承受性航空主結構”第2階段項目（Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structures 2,TAPAS 2）業(yè)已啟動，目標是進一步提高主結構材料、制造工藝、設計概念和模具設備的技術成熟度。作為TAPAS 2項目研究計劃的一部分，荷蘭國家航空航天實驗室（NLR）開發(fā)了大尺寸、大厚度熱塑性復合材料結構的自動鋪放工藝技術。采用TenCate Cetex TC1320 CF/PEKK 單向預浸料，通過自動鋪放工藝成型發(fā)動機短艙吊，如圖14所示[20]。該結構長6m，厚度28mm，用以替代原有金屬結構，顯著降低了制造成本、結構重量，提高了燃油效率。

圖10 空客A340飛機發(fā)動機短艙吊架Fig.10 Airbus A340 pylons

圖11 空客A340飛機發(fā)動機短艙吊架蒙皮Fig.11 Airbus A340 pylon panels

3 結論

（1）經過幾十年的積累，國外在熱塑性復合材料領域積累起強大的技術優(yōu)勢。通過PEEK、PPS 等高性能熱塑性樹脂的研發(fā)，結合先進的預浸料制備技術，形成了系列化的熱塑性預浸料牌號。同時，隨著自動鋪放設備及工藝的發(fā)展，進一步克服了熱塑性復合材料加工制造的困難，提高了成型效率，降低了制造成本，為熱塑性復合材料在各航空領域取得成功應用奠定了基礎。目前已在國外航空發(fā)動機短艙進氣道降噪聲襯、吊架蒙皮、梁等結構上取得成功應用。

圖12 空客A380飛機發(fā)動機短艙吊架蒙皮Fig.12 Airbus A380 pylon covers

圖13 空客A380飛機發(fā)動機短艙吊架總裝前測試Fig.13 Final assembly and preparation of Airbus A380 pylons

圖14 采用自動鋪放工藝成型的飛機發(fā)動機短艙吊架熱塑性 復合材料上部梁Fig.14 Thermoplastic upper spar manufactured by advanced fiber placement for aero-engine pylon

（2）國內熱塑性復合材料的研究尚處于起步階段，目前相關研究應用情況與國外還存在較大差距，應進一步加大高性能熱塑性樹脂的研究力度，開發(fā)不同種類、不同耐溫等級的新型熱塑性樹脂；加快預浸料的工程化應用研究，改善預浸料的浸漬質量，提高工藝性。國內航空發(fā)動機短艙研制單位應借鑒飛機方研制經驗，結集國外、國內資源優(yōu)勢，積極開展熱塑性復合材料在短艙典型結構上的驗證工作，早日實現(xiàn)熱塑性復合材料的工程化應用。