樹脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、抗疲勞、耐腐蝕、可整體成型等特點，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。以樹脂基復(fù)合材料代替金屬材料可使飛機減重10%~40%，而其結(jié)構(gòu)設(shè)計成本也可以降低15%~30%。自20 世紀(jì)80 年代起，復(fù)合材料在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，1980 年，復(fù)合材料在空客（Airbus）公司的A300/310 飛機上的應(yīng)用僅占約8%，隨后在A380 飛機上，復(fù)合材料的用量提升至約占結(jié)構(gòu)重量的25%，而目前的A350XWB 飛機上的復(fù)合材料用量甚至已提高到約52%。
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作為商用大飛機的標(biāo)志性機型，Airbus A380 飛機上大量結(jié)構(gòu)采用了碳纖維復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced plastics, CFRP），同時結(jié)合先進的整體化設(shè)計思路，以及自動鋪帶（Automated tape laying, ATL）、自動鋪絲（Automated fiber placement, AFP）等高度自動化手段進行制造，以達到高效率、高質(zhì)量穩(wěn)定性的效果，如圖1 所示。
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圖1 Airbus A380上的復(fù)合材料大型整體部件
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相較于熱固性復(fù)合材料，熱塑性復(fù)合材料具有韌性好、疲勞強度高、沖擊損傷容限高、成型周期短、易儲存、可回收等優(yōu)勢。隨著歐洲熱塑性經(jīng)濟可承受性航空主結(jié)構(gòu)（Thermoplastic affordable primary aircraft structure, TAPAS）、TAPAS 2、清潔天空（Clean Sky）、Clean Sky 2等一系列計劃的相繼推出，民用航空結(jié)構(gòu)對航空材料的經(jīng)濟性、環(huán)保性等提出了更高的要求，熱塑性復(fù)合材料因此成為研究和應(yīng)用的焦點。圖2為高性能熱塑性復(fù)合材料在民用航空應(yīng)用中的發(fā)展歷程，可以看出，高性能熱塑性復(fù)合材料在民用航空應(yīng)用中的地位愈發(fā)重要，表現(xiàn)為材料的種類不斷增加，應(yīng)用部位及結(jié)構(gòu)形式變得多樣，且逐漸從次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)發(fā)展。
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圖2 高性能熱塑性復(fù)合材料在民用航空應(yīng)用中的發(fā)展歷程
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目前，國際上高性能熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)制造商主要包括荷蘭Fokker（現(xiàn)已被英國GKN 收購）、TenCate（現(xiàn)已被日本Toray 收購）、DTC、荷蘭國家航空航天實驗室（NLR），歐盟Airbus，比利時Solvay，德國Evonik，美國Boeing、Cytec（現(xiàn)已被比利時Solvay 收購）、Hexcel、Ticona、Fiberforge，日本Teijin 等。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，業(yè)已形成了一系列商品化的熱塑性樹脂、預(yù)浸料等材料牌號。其中，增強材料主要包括碳纖維（Carbon fiber, CF）、玻璃纖維（Glass fiber, GF）等；高性能熱塑性樹脂基體主要包括聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide, PPS）、聚芳醚酮（Poly aryl ether ketone,PAEK）、聚醚醚酮（Poly etherether ketone, PEEK）、聚醚酮酮（Poly ether ketone ketone, PEKK）、聚醚酰亞胺（Polyetherimide, PEI）等；預(yù)浸料主要有TenCate Cetex 系列、Solvay APC 系列、Teijin Tenax 系列等。
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聚苯硫醚復(fù)合材料
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（1）優(yōu)異的耐熱性能。PPS 熔點超過280℃，熱變形溫度超過260℃，且經(jīng)過高溫?zé)崂匣幚砗蟮膹姸缺３致瘦^高。
（2）自阻燃性。PPS 自身具有阻燃性，不加阻燃劑阻燃級別就可以達到UL94 V— 0 級。
（3）良好的力學(xué)性能。PPS 屬于脆性材料，具有良好的耐蠕變性能，表面硬度高，具有良好的耐磨性，與碳纖維等材料復(fù)合，還表現(xiàn)出良好的自潤滑性。
（4）優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕、耐輻照性能。PPS 在200℃以下幾乎不溶于任何溶劑，能耐受幾乎所有無機物，耐輻射劑量高達108Gy。
（5）良好的加工性能。PPS 熔體黏度較低，作為復(fù)合材料的樹脂基體，對于增強體的流動浸潤效果極佳。由于PPS 具有以上性能優(yōu)勢，且相較于其他高性能熱塑性樹脂又具有易加工、成本低的特點，因此成為制造復(fù)合材料的優(yōu)良樹脂基體。
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目前商品化的PPS 預(yù)浸料主要由TenCate 公司及Fiberforge 公司提供，所采用的樹脂原料來源于Ticona 公司的PPS Fortron 系列牌號，TenCate公司的Cetex TC1100 PPS 熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能如表1 所示。包括座椅架、支架、龍骨梁、肋、固定翼、尾翼、進氣管、內(nèi)飾等各類以PPS作為樹脂基體的熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在民用航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如表2 所示。
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表1 Cetex TC1100 PPS熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能
表2 PPS復(fù)合材料主要應(yīng)用機型及部位
Fokker 公司采用GF/PPS 復(fù)合材料為空客A340 飛機制造了機翼前緣，后又應(yīng)用于A380 機型上，如圖3 所示。作為承力結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)原為鋁合金材質(zhì)，通過優(yōu)化熱塑性復(fù)合材料焊接工藝，成功替換為GF/PPS復(fù)合材料，實現(xiàn)了大幅減重的目標(biāo)。同時，F(xiàn)okker 公司還計劃開發(fā)下一代PPS 復(fù)合材料制品，采用CF 增強，制造如Gulfstream G650 和Dassault F5X 商用噴氣式飛機尾部操縱面。
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圖3 Airbus A380飛機的GF/PPS熱塑性
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Fokker 公司采用CF/PPS 熱塑性復(fù)合材料，制造Gulfstream G650飛機的方向舵和升降舵，如圖4 所示。預(yù)浸料采用TenCate 公司的Cetex 系列，樹脂為Ticona 公司的Fortron PPS。采用熱塑性復(fù)合材料替代原環(huán)氧樹脂復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，其重量減輕約10%，成本降低約20%。Fokker 公司憑借該熱塑性復(fù)合材料方向舵和升降舵的感應(yīng)焊接技術(shù)獲得了2010 年JEC 航空類的創(chuàng)新大獎。
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圖4 Fokker公司研制的CF/PPS熱塑性復(fù)合材料舵面
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能夠采用焊接技術(shù)進行連接，是熱塑性復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)上得到大力開發(fā)的主要原因之一。采用焊接連接的方式，避免了裝配鉆孔對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，減少了緊固件的使用，從而大幅降低了結(jié)構(gòu)重量和裝配成本。德國宇航中心（DLR）輕量化生產(chǎn)技術(shù)中心采用電阻焊接技術(shù)制造了新A320 飛機后壓力艙壁展示件。該技術(shù)的創(chuàng)新之處在于采用碳纖維結(jié)作為電阻元件替代原金屬網(wǎng)，并通過彎曲的金屬“焊接橋”施加壓力，將8 塊CF/PPS 復(fù)合材料部件焊接起來，如圖5 所示。
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圖5 Airbus A320飛機CF/PPS熱塑性復(fù)合材料后壓力艙壁展示件
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A350 的機身連接角片使用TenCate 公司的Cetex CF/PPS 熱塑性預(yù)浸料，采用熱壓工藝成型，如圖6 所示，整個機身使用的角片數(shù)量可達數(shù)千個。該預(yù)浸料使用Teijin 公司的Tenax 熱塑性碳纖維織物作為增強體，特點是將PEEK 用作碳纖維的上漿劑。該技術(shù)作為Teijin 公司的核心技術(shù)，避免了熱塑性復(fù)合材料成型前的去漿處理，改善了纖維與樹脂的界面黏結(jié)性。Teijin 公司在歐洲建成了年產(chǎn)1700 t 熱塑性樹脂上漿碳纖維生產(chǎn)線，進而開發(fā)出PEEK、PEKK、PPS 等熱塑性單向預(yù)浸材料。
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圖6 Airbus A350飛機CF/PPS熱塑性復(fù)合材料機身連接角片
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飛機發(fā)動機短艙吊架是熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用的重點部位，如圖7（a）所示。A340 飛機發(fā)動機短艙吊掛表面由12 類、共22 件蒙皮結(jié)構(gòu)覆蓋，均采用CF/PPS 材料制造。結(jié)構(gòu)長度700~1400mm，寬度200~400mm，厚度2.8mm，具有復(fù)雜雙曲率外型，表面鋪設(shè)有防雷擊銅網(wǎng)表面膜，如圖7（b）所示。
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圖7 Airbus A340飛機發(fā)動機短艙吊架
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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8 所示。該結(jié)構(gòu)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。
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圖8 Airbus A380飛機發(fā)動機短艙吊架蒙皮
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聚芳醚酮復(fù)合材料
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（1）優(yōu)異的耐熱性。PEEK 的連續(xù)使用溫度可達240℃，可經(jīng)受1000h熱老化保持強度不下降。
（2）優(yōu)異的耐水解性。耐熱水和蒸汽是PEEK的一項主要特征，特別是PEEK 可在蒸汽中長期使用，在工程塑料中具有最高的耐蒸汽性能。
（3）優(yōu)良的化學(xué)藥品性。除濃硫酸外，PEEK 幾乎耐任何化學(xué)藥品腐蝕，且在較高溫度下，仍能保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性。
（4）優(yōu)良的電絕緣性。PEEK 在高頻電場下仍具有較小的介質(zhì)損耗角正切。
（5）優(yōu)異的耐輻射性。PEEK 的耐γ 射線輻照特性，是工程塑料中最突出的。
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基于以上特點，纖維增強PEEK材料被用于飛機內(nèi)飾件、電纜原件。以連續(xù)碳纖維、玻璃纖維進行增強的PEEK 復(fù)合材料還可以用于飛機的機翼前緣、機艙、操縱桿等。此外，鑒于材料的耐高溫特性，也被應(yīng)用于飛機的發(fā)動機組件中。國外主要機型上PEEK 復(fù)合材料的典型應(yīng)用如表3 所示。
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表3 PEEK復(fù)合材料主要應(yīng)用機型及部位
美國Boeing 公司B757 采用GF/PEEK 以注射成型的方法制備發(fā)動機整流罩，該材料具備抗惡劣條件，如高濕度、超聲振動、高流速等特點，其重量比金屬制品減少約30%，價格降低約90%。
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法國Stelia 公司采用CF/PEEK復(fù)合材料制造了一個全尺寸熱塑性機身驗證件，如圖9 所示。該結(jié)構(gòu)利用絲束自動鋪放和非熱壓罐（Out of autoclave, OOA）固化工藝制造，用以評估下一代單通道飛機使用熱塑性復(fù)合材料的可能性。
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圖9 Stelia公司研制的CF/PEEK熱塑性復(fù)合材料機身驗證件
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正是因為PEEK 樹脂優(yōu)異的力學(xué)性能，相繼推出了TC1200、TC1220 系列PEEK 熱塑性復(fù)合材料，其中TC1220 的韌性尤為突出，其沖擊后壓縮強度可達345MPa。PEKK 與PEEK 極為相似，具有相似的結(jié)晶行為，二者的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖10 所示。
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圖10 PEKK和PEEK的化學(xué)結(jié)構(gòu)
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PEKK 相對PEEK具有更低的加工溫度以及更寬的加工溫度工藝窗口，且具有相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，這使得PEKK 復(fù)合材料的工藝性較PEEK 復(fù)合材料更優(yōu)，并且更適合自動化工藝要求。因此TenCate 公司推出的Cetex 系列熱塑性預(yù)浸料體系，其中包括一個低熔點PEKK 系列，性能如表4 所示。因此，PEKK 也被逐漸開發(fā)用作高性能樹脂基復(fù)合材料的樹脂基體，繼而應(yīng)用于大型客機的結(jié)構(gòu)件或者內(nèi)飾部件中。
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表4 Cetex PAEK系列熱塑性復(fù)合材料性能
作為TAPAS 2 項目研究計劃的一部分，NLR 開發(fā)了大尺寸、大厚度熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的自動鋪放工藝技術(shù)。采用TenCate Cetex TC1320CF/PEKK 單向預(yù)浸料，通過自動鋪放工藝成型發(fā)動機短艙吊架上部梁，如圖11 所示。該結(jié)構(gòu)長6m，厚度28mm，用以替代原有金屬結(jié)構(gòu)，顯著降低了制造成本、結(jié)構(gòu)重量，提高了燃油效率。
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圖11 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(fù)合材料上部梁
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此外，TenCate 公司與NLR 和DTC 公司合作，采用TC 1320 CF/LM PEKK 預(yù)浸料制備熱塑性復(fù)合材料加強筋，如圖12 所示，并焊接為殼體的增強結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的成型充分驗證了絲束自動鋪放結(jié)合熱壓罐固化的兩步法成型工藝，后續(xù)的工藝優(yōu)化則側(cè)重于研究非熱壓罐固化工藝，而采用真空袋/ 烘箱固化。
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圖12 TenCate公司研制的CF/LMPEKK熱塑性復(fù)合材料加強筋
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同樣作為TAPAS 2 項目研究內(nèi)容，F(xiàn)okker 公司開發(fā)了一種針對熱塑性復(fù)合材料的低成本成型技術(shù)，用以制造Gulfstream G650 后機身壁板，如圖13 所示。該壁板蒙皮具有雙曲率結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面由縱向長桁與周向加強筋共固化成網(wǎng)狀加強框架，原材料采用Solvay 公司的CF/PEKK單向熱塑性預(yù)浸料。該機身壁板從設(shè)計角度摒棄了傳統(tǒng)的0°/90°/45°鋪層，而是結(jié)合纖維導(dǎo)向AFP 制造技術(shù)，極大地提高了纖維強度的利用率；縱橫筋成型開發(fā)了一種創(chuàng)新性的連接技術(shù)，采用低成本短切纖維注塑角撐及連續(xù)纖維平板層合板的腹板和緣條，結(jié)合機器人自動焊接技術(shù)，進一步降低了制造成本。由于無需使用緊固件，避免了緊固件連接孔，因此節(jié)約了緊固件費用及鉚接裝配費用，同時減輕了結(jié)構(gòu)重量，使該機身壁板比傳統(tǒng)復(fù)合材料的成本降低約20%，減重約10%。
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圖13 Fokker公司研發(fā)的CF/PEKK熱塑性復(fù)合材料機身壁板
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同樣作為焊接技術(shù)的驗證件，Clean Sky 生態(tài)設(shè)計演示機的機身面板采用實驗室規(guī)模的超聲波點焊技術(shù)，將CF/PEEK 鉸鏈和CF/PEKK 卡箍焊接到CF/PEEK 的C 型框架上，如圖14 所示。該連接方式已通過雙搭接剪切和拉通試驗，與傳統(tǒng)的機械緊固連接方式進行了對比驗證，證實其連接效果可靠。
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圖14 超聲波點焊連接熱塑性復(fù)合材料機身壁板
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Fokker 公司采用Solvay 公司的APCTm (PEKK–FC)/AS4D，碳纖維/聚醚酮酮預(yù)浸料制造了飛機水平尾翼展示件，如圖15 所示。
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圖15 Fokker公司制造的CF/PEKK熱塑性復(fù)合材料飛機水平尾翼
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在PEEK、PEKK 熱塑性復(fù)合材料技術(shù)基礎(chǔ)之上，為進一步適應(yīng)自動化制造工藝的要求，Tencate 公司推出了TC1225 低熔融溫度PAEK 熱塑性預(yù)浸料，采用該預(yù)浸料通過自動鋪放工藝制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，其內(nèi)部質(zhì)量可達到熱壓成型工藝成型復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量，使得熱塑性復(fù)合材料完全具備了自動化制造工藝可行性。
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聚醚酰亞胺復(fù)合材料
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（1）優(yōu)異的耐熱性能。PEI 是非晶型高聚物，熔程為340~400℃，熱變形溫度超過200℃。
（2）優(yōu)異的阻燃性。美國GE 公司的萬噸級Ultem PEI，其各品級產(chǎn)品阻燃性均能達到UL-94 V-0 級，極限氧指數(shù)極高，可達47%，燃燒時煙霧密度低，有毒氣體少。
（3）優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性。成型收縮率低，成型后殘余應(yīng)力小，不易開裂，線膨脹系數(shù)小，耐蠕變性能好。
（4）良好的耐輻照性能，耐化學(xué)藥品性，耐水解性。由于PEI 具有以上性能優(yōu)勢，結(jié)合優(yōu)異的可加工性，其復(fù)合材料特別適用于制造飛機內(nèi)壁板、內(nèi)飾件、連接件和絕熱、隔音結(jié)構(gòu)等。
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目前，國外應(yīng)用較多的PEI 復(fù)合材料為Tencate 公司的Cetex TC1000，其力學(xué)性能如表5 所示，其主要應(yīng)用如表6 所示。
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表5 Cetex TC1000 PEI熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能
表6 PEI復(fù)合材料主要應(yīng)用機型及部位
Fokker 公司采用TenCate 公司Cetex CF/PEI 預(yù)浸料，制造了Gulfstream 550 和G650 飛機的夾層結(jié)構(gòu)壓力艙壁板，如圖16 所示。
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圖16 Fokker公司研制的CF/PEI熱塑性復(fù)合材料壓力艙壁板
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德國的Xperion 公司采用連續(xù)模壓成型工藝，研制了空客A330/A340 飛機室內(nèi)側(cè)壁板橫桿扣件，如圖17 所示。該結(jié)構(gòu)件采用CF/PEI 熱塑性復(fù)合材料，較傳統(tǒng)鋁合金制件減重約50%，成本降低約21%。
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圖17 Xperion公司研制的CF/PEI熱塑性復(fù)合材料卡扣
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由于民機噪聲指標(biāo)已成為適航取證的強制性指標(biāo)，為降低發(fā)動機噪聲，在研究發(fā)動機降噪技術(shù)的同時，發(fā)動機短艙結(jié)構(gòu)的降噪技術(shù)也在不斷發(fā)展，消音襯墊技術(shù)是其中一種主要技術(shù)方案。該結(jié)構(gòu)為具有消聲功能性的復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，TenCate 公司開發(fā)的CF/PEI 熱塑性復(fù)合材料層板，作為發(fā)動機短艙進氣道降噪聲襯蜂窩結(jié)構(gòu)面板，已在空客A380 飛機發(fā)動機上實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，如圖18 所示。
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圖18 Airbus A380飛機發(fā)動機短艙降噪聲襯熱塑性復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)
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結(jié)論
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（1）以PPS、PAEK/PEEK/PEKK、PEI 為代表的高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料，已在國外民用航空結(jié)構(gòu)上得到廣泛的驗證和應(yīng)用，并取得了良好的減重和降低成本的效果。其中PPS 復(fù)合材料多用于機身外部結(jié)構(gòu)，采用熱壓工藝結(jié)合焊接成型工藝，實現(xiàn)整體化結(jié)構(gòu)件的低成本制造。此外，在適合熱壓罐成型工藝的PEEK復(fù)合材料基礎(chǔ)上，又相繼形成了適合于非熱壓罐工藝的PEKK 復(fù)合材料，以及更適合采用自動化工藝制造大型整體化結(jié)構(gòu)的低熔融溫度PAEK 復(fù)合材料體系；而PEI 由于自身所具有的優(yōu)異的阻燃特性，其玻璃纖維增強復(fù)合材料多用于具有阻燃要求的零部件，如艙內(nèi)結(jié)構(gòu)等。
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（2）國外在高性能熱塑性復(fù)合材料及其成型工藝方面積累了巨大的先發(fā)優(yōu)勢。以TenCate 公司為代表的多家材料供應(yīng)商已形成系列化的商用熱塑性預(yù)浸料牌號，包括與之配套的適合于不同工藝的專用樹脂體系、界面改性的專用纖維增強體等；同時各大制造商對包括自動鋪放原位固結(jié)工藝、自動鋪放結(jié)合熱壓罐/ 非熱壓罐固化工藝、自動化沖壓快速成型工藝、機器人自動感應(yīng)焊接等多種自動化成型工藝進行了充分的驗證，可以說國外熱塑性復(fù)合材料的制造技術(shù)已基本實現(xiàn)自動化工藝的工程應(yīng)用，并取得了顯著的應(yīng)用效果。
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（3）根據(jù)國外的經(jīng)驗，我國應(yīng)充分利用研制國產(chǎn)大飛機的契機，積極推動熱塑性復(fù)合材料在機翼前緣、發(fā)動機短艙等對于抗沖擊要求較高的結(jié)構(gòu)的驗證和應(yīng)用。結(jié)合國產(chǎn)樹脂及纖維的替代研究，開發(fā)適用于熱塑性樹脂的上漿劑及上漿工藝，進而形成系列化的熱塑性預(yù)浸料牌號。同時，注重自動化成型設(shè)備及其工藝、焊接設(shè)備及其工藝的研制，以充分利用熱塑性復(fù)合材料成型高效率、整體化的優(yōu)勢，形成國產(chǎn)高性能熱塑性復(fù)合材料的技術(shù)體系。
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（來源：復(fù)合材料與工程。羅云烽, 姚佳楠. 高性能熱塑性復(fù)合材料在民用航空領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2021, 64(16): 93-102.）
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原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：高性能熱塑性復(fù)合材料在民用航空領(lǐng)域中的應(yīng)用