【「威」視製造】下一代單通道飛機或將迎來熱塑性復材機翼和機身

一、熱塑性複合材料的民機應用潛質

以聚苯硫醚（PPS）,聚醚醯亞胺（PEI）, 聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）為基體的先進增強熱塑性複合材料（TPC），具備高剛度、低加工成本和重新加工能力，擁有良好的阻燃、低煙和無毒（FST）性能，固化周期可以以分鐘記，且其成形過程是天生的非熱壓罐工藝。這些固有屬性使其成為輕質、低成本航空結構的理想材料。為西科斯基公司直升機提供大型熱塑性複合材料地板的纖維鍛造公司提供了如下一組數據：熱塑性複合材料比鋼輕60%，硬度是其6倍；比鋁輕30%；比熱固性複合材料強韌2倍；比注射模塑塑料硬5倍；在生產中比板材少60%碎屑。

上述性能特點和數據對比表明，熱塑性複合材料是一種天生的航空結構材料，並且在民機應用上擁有巨大的潛質，甚至可能在未來為航空複合材料製造帶來一場熱塑性革命。

二、歐盟「熱塑性經濟可承受性航空主結構」項目

歐盟框架研究計劃中的「熱塑性經濟可承受性航空主結構」（TAPAS）項目於2009年啟動，目的是為空客公司開發TPC平翼扭矩盒和機身結構，進一步增加TPC在當前和未來飛機上的應用比例，如A320neo客機。項目將分為兩個階段，在2017年完成，目標是兩個構件的材料、製造工藝、設計概念和模具設備分別達到技術成熟度6級和4級。技術難點包括：開發和驗證適合的材料，「對接接頭」連接，製造技術，如纖維焊接、壓力成形和纖維鋪放。

圖1 熱塑性平尾壁板驗證件

TAPAS項目的成員包括空客、荷蘭福克航空結構公司、TenCate先進復材公司、Technobis纖維技術公司、荷蘭熱塑性復材公司（DTC）、KVE復材集團、機載復材公司、KE工廠公司、CODET公司、荷蘭國家航空實驗室（NLR）、Delft技術大學和Twente大學等。

項目的第一階段已於2013年完成，採用碳纖維/PEKK材料開發主承力結構，項目製造的TPC平尾扭矩盒和機身驗證件分別達到了技術成熟度5級和3級。TPC平尾扭矩盒基於G650的垂尾中央部分重新設計，展長12m，其中，蒙皮厚度從2mm~8mm之間變化，採用單向預浸帶製造。福克航空結構公司採用一種利用焊接的「對接接頭」方式在蒙皮上集成了T型加強筋，據稱這在製造工藝、成本和重量上都是革命性的。由於TPC固有的韌性能更好地阻止裂紋擴展，能夠將蒙皮設計得更薄，因此與熱固性複合材料構件相比，該扭矩盒減重10%。TPC機身驗證件長4m，雙曲面外形，其中加強筋長3m，厚度從2.48~5.50mm之間變化。DTC公司開發了該機身加強筋，及其製造工藝：數控切割TPC材料，機器人鋪放，真空預固化，自動運輸，壓力成形，整個過程僅需15min。

圖2 熱塑性機身壁板驗證件

項目的第二階段於2014年初開始，將繼續提升TPC扭矩盒和機身的技術成熟度，使其獲得市場的關注。對於扭矩盒的研究，接下來將開發可獲應用認證的材料和工藝；開發一個能夠存放燃油的「濕」盒；使用將梁與蒙皮焊接起來的一種結構。對於機身的研究，主要挑戰在於控制蒙皮厚度，特別是對於A320neo或者737max這樣的單通道客機，韌性的TPC薄蒙皮結構固然更合適，但其厚度極限需要驗證，尤其是考慮到如冰雹撞擊或維修工具衝擊下的局部載荷作用。

福克航空結構公司在TAPAS項目之外還開發了幾個驗證件：TPC帶筋翼面壁板、TPC正弦梁、TPC帶筋機身壁板。採用「對接接頭」連接T型加強筋的TPC翼面壁板比碳纖維/環氧材料減少了15~30%的成本。正弦梁採用碳纖維/聚醚酮酮（PEKK）材料，其設計製造也得益於「對接接頭」的開發，使該結構比簡單I型梁具備更高硬度和抗彎性，而熱固性複合材料難以快速、經濟地製造這樣的結構。機身壁板由碳纖維/聚醚醚酮（PEEK）材料製造，在陰模中鋪放，先鋪垂直筋條，再自動鋪放蒙皮，隨後蒙皮和筋共固化，最後使用感應焊技術把水平框架和壁板連接起來。

圖3 熱塑性機身壁板驗證件

三、法國「熱塑性弓形盒」項目

Stelia航宇公司通過法國民用航空研究戰略諮詢委（CORAC）平台，承擔了「熱塑性弓形盒研究與技術」（Arches Box TP）項目（2015-2017），並每年投資2500萬歐元。目前飛機複合材料機體結構主要採用熱固性複合材料，熱塑性複合材料是有力的競爭對手。項目既是一個技術上的挑戰——比熱固性樹脂基複合材料低得多的成熟度水平，也是一個經濟性問題——下一代單通道飛機必須比之前採用金屬技術的要更具成本競爭力。

Stelia航宇公司在巴黎航展上展出了一個全尺寸熱塑性機身驗證件，以允許針對下一代單通道飛機使用高性能熱塑性複合材料進行內部評估。驗證件擁有主要的機身結構的所有典型特性，如薄蒙皮、閃電防護、桁條和框，能夠在一個真實的工業環境下對這些技術進行詳細評估。

圖4 熱塑性機身驗證件

Stelia負責設計，使用熱塑性碳纖維帶材料和閃電防護結構，利用自動絲束鋪放（AFP）和非熱壓罐（OOA）固化工藝製造了驗證件蒙皮，之後在法國的研究與技術中心進行最終的結構裝配。公司選擇了法國熱塑性複合材料的頂尖供應商來提供互補的技術包，如：熱塑性桁條的機器人動態感應焊，桁條和框的快速壓模，用包模的短纖維和長纖維製作混合熱塑性結構。

博舍工業集團為Stelia航宇公司供應了材料，技術團隊利用Pipreg熱塑性材料解決方案開發了一個有機板，基於初始的Stellia規格，這是用於框的最佳材料。聚醚酮酮（PEKK）基的Pipreg層壓板加上特定的碳加強件，可從低溫到非常高的溫度下都展現出卓越的力學和疲勞性能。博舍Pipreg層壓板滿足項目所有的試驗、工程和加工目標，Stelia使用它生產了驗證件上所有的複合材料框，並且引入到一個包模的艙門組件上。

圖5 驗證件細節

熱塑性複合材料巨大的應用潛力將不停驅使航空製造商將更多的部件設計為熱塑性結構，相關的研究也還將持續不斷地產出新成果，這都將進一步提升熱塑性複合材料在民機上的應用比例。也許，熱塑性複合材料就像低溫固化熱固性複合材料一樣，將曲折但堅定的發展，並在未來由量變轉為質變，攻克大型民機的主承力結構，實現廣泛而深層次的應用。目前，我國熱塑性複合材料研究還處於實驗室研究階段，未進行系統的大型原型件驗證，技術成熟度較低，與國外存在較大差距。因此，我國應加強在該領域的技術研究和驗證，為迎接航空複合材料熱塑性結構革命做好技術儲備。

（航空工業發展研究中心 劉亞威）