先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)成為大型客機(jī)的首選結(jié)構(gòu)材料，其用量占機(jī)體重量的百分比更是成為衡量民機(jī)先進(jìn)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，波音公司最先進(jìn)的飛機(jī)波音787上復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)總重量的50%；而空客公司A350飛機(jī)上的復(fù)合材料用量也由原先的37%增加到現(xiàn)在的53%。盡管兩大飛機(jī)制造公司對(duì)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重方面取得的效果表示滿意，但仍對(duì)選擇金屬還是復(fù)合材料存在強(qiáng)烈抗?fàn)帲瑢?duì)復(fù)材在飛機(jī)上用量的進(jìn)一步擴(kuò)大持謹(jǐn)慎的態(tài)度，原因是目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)上廣泛使用的復(fù)合材料主要是熱固性樹脂基復(fù)合材料，其材料制造成本較高，且制造過程使用的預(yù)浸料/熱壓罐技術(shù)也非常昂貴。另外，在日益強(qiáng)調(diào)環(huán)保的今天，熱固性復(fù)合材料的環(huán)境友好性差及廢棄物難以回收處理等不足，也制約其在飛機(jī)上的應(yīng)用擴(kuò)展。
高性能熱塑性復(fù)合材料是指用高強(qiáng)玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維增強(qiáng)耐高溫?zé)崴苄詷渲膹?fù)合材料。與熱固性復(fù)合材料相比，高性能熱塑性復(fù)合材料具有較好的耐熱性能和剛度、強(qiáng)度；其線狀鏈的分子結(jié)構(gòu)使得聚合物保持著良好的韌性，因此材料還具有較高的韌性、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；同時(shí)，由于熱塑性聚合物分子鏈不含有產(chǎn)生鏈間化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)，其在加熱過程僅僅發(fā)生加熱變軟和冷卻變硬的物理變化，故成型周期短、生產(chǎn)效率高，具有較大降低制造和使用成本的潛力；其結(jié)構(gòu)件還可以直接熔融焊接，無需鉚結(jié)，也能有效減輕飛機(jī)重量，并利于維修。另外，某些熱塑性復(fù)合材料的長期使用溫度可達(dá)250℃以上，并且耐水性極優(yōu)，可在濕熱環(huán)境下長期使用；同時(shí)預(yù)浸料無存放環(huán)境與時(shí)間限制，可長期貯存、并且廢料還可以回收再利用，通常被稱為“綠色材料”。 正是基于上述優(yōu)點(diǎn)，高性能熱塑性復(fù)合材料被認(rèn)為是一種有發(fā)展前途的飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料，一直受到航空航天領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。
自20世紀(jì)60年代以來，高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料就受到歐、美、日等發(fā)達(dá)國家的重視， 并取得許多突破性進(jìn)展。部分產(chǎn)品已被波音、空客、福特等公司成功應(yīng)用到飛機(jī)蒙皮、整流罩、升降舵、平尾等制件上，但使用范圍非常有限。長期以來， 制約熱塑性復(fù)合材料在民機(jī)上應(yīng)用的主要原因有以下兩個(gè)：（1）預(yù)浸料制造困難，材料成本高；（2）制件制造需要高溫高壓，對(duì)設(shè)備和輔料要求高。但鑒于這種材料的低成本潛力，從20世紀(jì)80 年代開始，以美國為主導(dǎo)的西方國家進(jìn)行了一系列旨在提高熱塑性復(fù)材預(yù)浸料的制造水平、降低制件制造成本的研究計(jì)劃，并最終取得大量的研究成果，為高性能熱塑性復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。本文將就高性能熱塑性復(fù)合材料在國外飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用現(xiàn)狀及最新研究成果和未來發(fā)展方向作簡(jiǎn)要介紹。
航空用熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研究進(jìn)展
目前，應(yīng)用到航空領(lǐng)域的熱塑性樹脂主要是耐高溫、高性能的樹脂基體：聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亞胺（PEI）。其中，無定形的PEI由于具有更低的加工溫度及加工成本，比半結(jié)晶的PPS及高成型溫度的PEEK在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用更多。表1列出了部分已經(jīng)商品化的熱塑性復(fù)合材料材料牌號(hào)以及在現(xiàn)有機(jī)型結(jié)構(gòu)件上的使用情況[17-23]。
熱塑性復(fù)合材料不僅與樹脂、增強(qiáng)纖維的性能，還與纖維的增強(qiáng)方式、材料的成型工藝以及成型設(shè)備有關(guān)。目前，原材料的研究主要集中在研發(fā)并認(rèn)證合適的材料，即為適應(yīng)不同工藝方案而進(jìn)行的新樹脂體系材料的研發(fā)和材料形式的變更。其中熱塑性片（板）材非常類似熱固性復(fù)合材料，不僅可以簡(jiǎn)化模塑操作，而且可在自動(dòng)化生產(chǎn)線上大量生產(chǎn)，是目前飛機(jī)上最為常見的材料形式。但隨著自動(dòng)鋪放等低成本制造技術(shù)發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造商往往需要根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造難度以及成本等，要求材料供應(yīng)商提供不同形式的材料以滿足不同的成型要求。例如，Royal Ten Cate 公司的Cetex產(chǎn)品也可以被加工成預(yù)浸束紗、混合紗等形式，以適應(yīng)不同的工藝要求。
國外通過幾十年的預(yù)先研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，原材料的制造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，許多商品化的產(chǎn)品已在波音、空客等大型客機(jī)上服役多年，效果非常好。國內(nèi)原材料的生產(chǎn)在經(jīng)過近30年的發(fā)展，也積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，一些制約該種材料應(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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，材料穩(wěn)定化生產(chǎn)是目前實(shí)現(xiàn)我國原材料在飛機(jī)上大量應(yīng)用的關(guān)鍵問題。
高性能熱塑性復(fù)合材料的成型技術(shù)
熱塑性樹脂基復(fù)合材料加工工藝大致可分為：熱塑性基體浸漬工藝和制件成型工藝。其中最關(guān)鍵的技術(shù)是成型技術(shù)，它是制約熱塑性復(fù)合材料在飛機(jī)上廣泛應(yīng)用的主要瓶頸。下面將重點(diǎn)介紹熱塑性復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造中已經(jīng)成熟使用和正在研究發(fā)展的成型技術(shù)。
1 熱壓成型
熱壓成型是熱塑性復(fù)合材料在航空制件成型中主要的方法之一，按照所用的設(shè)備不同又可以分為模壓成型、雙膜成型、熱壓罐成型和真空袋成型。其基本工藝過程是先將預(yù)浸料裁剪鋪疊后，放入模具中升溫加熱，待升溫至成型溫度后，通過不同的加壓設(shè)備對(duì)預(yù)浸料鋪層進(jìn)行加壓，賦形得到最終滿足要求的制件。熱壓成型是工業(yè)界普遍看好，并重點(diǎn)研究發(fā)展的低成本、規(guī)模化制造技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制件的制造中。同時(shí)，對(duì)于一些變厚度、形狀復(fù)雜的梁、長桁等制件（圖1），熱壓可以實(shí)現(xiàn)其快速成型，通常從下料到完成固化只需要15min。目前制約熱壓成型工藝的主要問題是飛機(jī)上可用的高性能熱塑性樹脂通常具有較高的熔融粘性，而高粘性使得樹脂對(duì)增強(qiáng)纖維的浸潤性和穿透性差、鄰近層之間的粘接困難、較難排除層板中的孔隙、以及成型過程中樹脂均勻流動(dòng)很困難等問題。
2 纏繞成型
在諸多熱塑性復(fù)合材料成型方法中， 纏繞成型能較好地實(shí)現(xiàn)低成本和高效率。一般而言，熱塑性樹脂纖維纏繞既可先將熱塑性預(yù)浸帶干法纏繞成型，然后在固化爐或熱壓罐內(nèi)固化；又可用原位固化工藝成型，即將連續(xù)的經(jīng)加熱爐預(yù)熱后的預(yù)浸帶纏繞在相應(yīng)的芯模上，在纏繞的同時(shí)用熱源使樹脂熔融，使預(yù)浸料逐層粘合成一體并最終形成熱塑性復(fù)合材料制件。在原位固化工藝中不需要加熱、加壓等“后定型”(固化) 環(huán)節(jié)，可以大幅度提高制品的生產(chǎn)效率，從而大大降低生產(chǎn)成本，是目前熱塑性復(fù)合材料纏繞成型重點(diǎn)發(fā)展的工藝技術(shù)，比較適合圓形截面制件的制造（圖2）。纏繞成型工藝優(yōu)點(diǎn)是可以按照制品的受力狀況設(shè)計(jì)纏繞規(guī)律，從而充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用；并且制品質(zhì)量穩(wěn)定，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。存在問題是纏繞過程需要采用合適的浸漬方法，在纏繞的過程中必須進(jìn)行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。總體來說熱塑性纖維纏繞工藝已發(fā)展到了一定階段，一些產(chǎn)品也已用于航空航天和民用。如美國用CF/PEEK纏繞制作了飛機(jī)水平安定面。
3 自動(dòng)鋪放成型
自動(dòng)鋪放技術(shù)是將復(fù)合材料的剪裁、定位、鋪疊、壓實(shí)等步驟集于一體，且具有控溫和質(zhì)量檢測(cè)功能的復(fù)合材料的集成化數(shù)控成型技術(shù)，能有效滿足自動(dòng)化、高產(chǎn)量、高質(zhì)量、低成本等技術(shù)要求，是熱塑性復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。目前國外熱塑性復(fù)合材料的自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究主要包括工藝、裝備以及軟件控制技術(shù)，而我國在熱塑性樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放方面的研究尚未起步。
在航空領(lǐng)域中，自動(dòng)鋪帶適用于尺寸較大，曲率相對(duì)較小的零件，如整體壁板類零件、大梁、長桁等，而纖維自動(dòng)鋪放適用于尺寸較大，形狀相對(duì)較復(fù)雜的零件，如機(jī)身段、進(jìn)氣道等。經(jīng)過20多年的研究，國外熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。2009 年荷蘭航空專家鮑肯研制了 1個(gè)10mm 條寬的2m×1m×1m 三維纖維鋪放設(shè)備單元，并利用該設(shè)備在陽模上成功鋪放了一新型前緣的蒙皮；而NASA支持的熱塑性復(fù)合材料的自動(dòng)鋪放原位固化頭安裝在辛辛那提的自動(dòng)鋪帶機(jī)上成功鋪放了1個(gè)2m×1.2m、表面焊接有6根工字型梁的AS4/PEEK蒙皮。隨著鋪放技術(shù)的發(fā)展，面臨的挑戰(zhàn)是如何保證質(zhì)量的同時(shí)提高效率以及實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。
4 纖維混雜法
纖維混雜法是熱塑復(fù)合材料加工技術(shù)的一次革新，技術(shù)關(guān)鍵是制備與增強(qiáng)纖維直徑相當(dāng)?shù)臉渲w維，然后使兩種纖維混雜成一種復(fù)合紗，再編織成預(yù)浸料，或直接用兩種纖維進(jìn)行編織。考慮到航空領(lǐng)域中主流熱熔預(yù)浸料存在硬度過高不易鋪放，不適合成型復(fù)雜曲面和精致結(jié)構(gòu)，纖維混雜法得到的具有良好的柔軟性和垂懸性的預(yù)浸料或預(yù)制體變形能力強(qiáng)，鋪覆性好，對(duì)于變曲率、變厚度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型還是非常有優(yōu)勢(shì)的，故是一種很有前途的成型方法。纖維混雜法的優(yōu)點(diǎn)是樹脂含量易于控制，纖維能得到充分浸潤，可以直接纏繞成型得到制件；同時(shí)，由于熱塑纖維和增強(qiáng)纖維緊密結(jié)合在一起， 減小了樹脂滲透的距離，也能有效克服熱塑樹脂浸漬的困難；并且因?yàn)椴牧暇哂辛己玫娜犴g性，可以編織三維近實(shí)物形狀，因此可以大大提高材料的韌性及損傷容限，同時(shí)縮短制件的制作周期。但由于制取直徑極細(xì)的熱塑性樹脂纖維( <10μm) 非常困難，同時(shí)編織過程中易造成纖維損傷，限制了這一技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。
高性能熱塑性復(fù)合材料在大型客機(jī)上的應(yīng)用與發(fā)展前景
1 高性能熱塑性復(fù)合材料在大型客機(jī)上的應(yīng)用狀況
國外熱塑性復(fù)合材料在商用飛機(jī)上的應(yīng)用研究開始于20世紀(jì)90年代初，并且一開始即涉獵到主結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。一個(gè)典型例子就是C/PEI成功應(yīng)用在Gulfstream G550飛機(jī)的壓力艙壁板和Fokker70、Fokker100飛機(jī)的貨艙地板。但由于早期材料、成型設(shè)備以及工藝的局限性，主要還是集中在在一些小而簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)件上，如飛機(jī)上常用的梁、肋結(jié)構(gòu)。隨著新材料、新工藝以及設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，高性能熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用逐漸從小結(jié)構(gòu)件發(fā)展到次承力結(jié)構(gòu)件上，典型案例是A380飛機(jī)上的多肋設(shè)計(jì)理念以及由焊接技術(shù)連接的C/PPS薄蒙皮多肋J-nose固定翼前緣結(jié)構(gòu)。
高性能熱塑性復(fù)合材料在大型客機(jī)上逐漸替代金屬材料或熱固性復(fù)合材料已經(jīng)成為新材料新技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，各發(fā)達(dá)國家及航空機(jī)構(gòu)均加大了該方面的研究。盡管近期高性能熱塑性復(fù)合材料在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造上還存在一些技術(shù)難點(diǎn)并缺少經(jīng)濟(jì)、快速、可靠地零件制造工藝，暫時(shí)不大可能大量取代熱固性復(fù)合材料，但隨著先進(jìn)材料和自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展，成型工藝技術(shù)的進(jìn)步，以及焊接等裝配技術(shù)的成熟，其極有可能在未來飛機(jī)上作為主要材料應(yīng)用在包括機(jī)身在內(nèi)的主承力結(jié)構(gòu)件上。
2 高性能熱塑性復(fù)合材料在空客客機(jī)上的應(yīng)用研究
空中客車公司一直是新材料新工藝在商用客機(jī)上使用的領(lǐng)跑者和倡導(dǎo)者， 其在20世紀(jì)90年代初就開始參與到熱塑性樹脂基復(fù)合材料在大型客機(jī)上的應(yīng)用研究，并成功地將PPS樹脂基熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用在一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小的肋、梁等小件上。隨著材料性能、成型工藝、以及裝配技術(shù)的提高，高性能熱塑性復(fù)合材料已被逐漸使用到空客飛機(jī)的次承力結(jié)構(gòu)件上，例如：A340/500、A380機(jī)翼J-nose固定前緣。而在2009年，空客公司聯(lián)合Fokker公司、Tencate公司、德爾福特理工大學(xué)和圖恩特大學(xué)等啟動(dòng)了一項(xiàng)為期4年的TAPAS飛機(jī)熱塑性主結(jié)構(gòu)件項(xiàng)目，該項(xiàng)目目標(biāo)是為未來飛機(jī)項(xiàng)目建立一項(xiàng)制造大型主結(jié)構(gòu)件所必需的熱塑性復(fù)合材料技術(shù)。作為該項(xiàng)目的一項(xiàng)重要組成部分是研制C-PEEK熱塑性復(fù)合材料機(jī)身，目前該全尺寸4m長，雙曲率演示產(chǎn)品的研發(fā)已取得突破性進(jìn)展，一旦成功，該結(jié)構(gòu)可能在未來新型A30X機(jī)型上使用。
3 高性能熱塑性復(fù)合材料在國產(chǎn)大飛機(jī)上的應(yīng)用展望
計(jì)劃于2014年首飛的國產(chǎn)大飛機(jī)復(fù)合材料用量將達(dá)到15.9%，鑒于材料、工藝以及適航取證等問題，目前結(jié)構(gòu)件上選用的復(fù)合材料還是在波音和空客機(jī)型上服役多年、非常成熟的環(huán)氧樹脂基熱固性復(fù)合材料，高性能熱塑性復(fù)合材的應(yīng)用幾乎為零。但實(shí)際上現(xiàn)階段環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的成本仍然比同代的金屬結(jié)構(gòu)要高，即使采用自動(dòng)化的制造技術(shù)，其成本下降的空間也非常有限。近年來國外低成本制造技術(shù)的創(chuàng)新工作主要集中在尋找可替代材料和低成本成型技術(shù)，高性能熱塑性復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)、有效使用是未來飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料的一個(gè)重要選擇，也是先進(jìn)材料發(fā)展和成型技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果。鑒于國外在該方面的應(yīng)用研究也起步不久，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均待突破，各國技術(shù)差距并不明顯，我國應(yīng)盡快開展和加強(qiáng)該方面的開發(fā)應(yīng)用工作，縮短與國外在先進(jìn)飛機(jī)上先進(jìn)材料和制造技術(shù)上的差距。
聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）及聚醚酰亞胺（PEI）等樹脂基復(fù)合材料目前已經(jīng)被波音、空客認(rèn)證，并用于部分飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，取得了較好的減重和降低成本的效果。因此，我國國產(chǎn)大飛機(jī)可以考慮先參照國外的成功案例，在一些需要大量使用的梁、肋結(jié)構(gòu)上使用熱塑性復(fù)合材料，充分發(fā)揮快速成型、批量生產(chǎn)的低成本、高效率優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，在一些需要抗沖擊（如前緣），或耐高溫的部位（如發(fā)動(dòng)機(jī)面板）也可以使用熱塑性復(fù)合材料，充分發(fā)揮熱塑性樹脂較高的韌性、優(yōu)秀的損傷容限性能和抗耐熱性等特征。由于國外熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造技術(shù)對(duì)我國實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，而一體化熱成型批量生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料零件是未來的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，其設(shè)備研制相對(duì)容易，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，我國可以考慮從該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)開始，積累經(jīng)驗(yàn)，并逐漸趕上國外先進(jìn)制造水平，爭(zhēng)取在將來使用我國自主研發(fā)的自動(dòng)化成型設(shè)備，如自動(dòng)鋪帶、鋪絲、纏繞、拉擠設(shè)備等。
另外，材料國產(chǎn)化也是避免將來國外對(duì)我國進(jìn)行技術(shù)封鎖的有效途徑，國產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料的制備技術(shù)貯備與支撐可以以大型客機(jī)項(xiàng)目為契機(jī)，通過大客的研制平臺(tái)，使材料與大飛機(jī)項(xiàng)目同步發(fā)展。同時(shí)針對(duì)性的開展相關(guān)研究工作，積累經(jīng)驗(yàn)，建立技術(shù)數(shù)據(jù)庫以便將來材料的適航認(rèn)證和擴(kuò)大應(yīng)用，使我國自主研發(fā)的大型客機(jī)將來可以通過新材料新工藝的使用達(dá)到飛機(jī)減重、成本降低、綠色環(huán)保、造福人類。
魯ICP備2021047099號(hào)