JEC World 2024亮点（左，顺时针）：用于热塑性复合材料的Unwind3D感应加热Spidui成型池；DLR的C/SiC陶瓷基复合材料（CMC）火箭喷管扩展和CIRA利用新型干纤维和树脂注入并联绕组制备的复合材料各向异性网格结构。

JEC World 2024（3月5日至7日，法国巴黎）以展示无数引人注目的复合材料零件和发展而闻名。可持续发展仍然是一个共同的主题，展览中有许多储氢罐。在这里，分享在展览中的一些亮点。

关键主题

• TPC开发：深拉RCF零件、CF/PEKK航空航天演示器
• 大型TPC航空结构的AAMMC技术中心
• AI辅助无工具TPC焊接
• 火箭喷嘴、活塞环和光学工作台中的C/C-SiC
• 最大的熔渗C/SiC部件
• 英国定制CMC。
• 德国的SiC纤维和CMC部件
• 感应加热工业化，多种复合材料解决方案

TPC开发：深拉RCF零件，CF/PEKK航空演示器

ATC的深拉演示部件无需预成型，直接冲压rCF非织造垫，将其转化为带有PPS或PEI基体的KyronTEX热塑性片材。

ATC制造公司（美国爱达荷州Post Falls）展示了使用三菱化学集团（MCG-日本东京）提供的KyronTEX材料制成的深冲热塑性复合材料（TPC-thermoplastic composite ）零件。这些材料将再生碳纤维（rCF-recycled carbon fiber）与聚苯硫醚（PPS）或聚醚酰亚胺（PEI）聚合物以垫子产品的形式结合在一起，靶向飞机内部的二级结构。放样的无纺rCF材料使用长度为1-2英寸的纤维，并且以250克/平方米和500克/平方米面重供应。

ATC业务发展总监大卫·利奇（David Leach）解释道：“我们希望一步快速、经济地形成深冲形状，而不是先固结预成型件，然后冲压。”。“我们开发了一种直接冲压TPC垫材料的方法，可以在5分钟的循环时间内生产出高质量的零件。我们有很长的TPC零件成型历史，了解用织物和单向(UD)胶带制成的零件如何在角落形成褶皱。但这种垫效果非常好。我们还与三菱合作开发了第二种变体，将织物与rCF垫结合起来，以提高刚度。”

ATC使用其扁平CCM机器为HEICoPAS项目机身面板演示机生产CF/PEKKω桁条。

ATC制造公司也是HAICoPAS项目TPC机身面板演示机的关键合作伙伴，该演示机在2024年JEC World的Mobility Planet上展出。演示器由Hexcel AS7和IM碳纤维与Arkema Kepstan聚醚酮酮（PEKK）聚合物（CF/PEKK）组成的HexPly热塑性预浸带制成。组件由不同的合作伙伴和流程生产：

• 采用连续压缩成型（CCM）的Ω长桁
• Hutchinson使用pullforming的I型和T型加强筋
• Daher使用冲压的Z型框
• Hexcel使用热压罐外（OOA）工艺制造的机身蒙皮和“C型”框

使用苏杜雷研究（ Institut de Soudure）所和阿科玛（Arkema）公司开发的ISW感应焊接将这些焊接连接起来。其他联盟合作伙伴包括：科里奥利复合材料公司、Ingecal、Pinette Emidecau Industries和CNRS Laboratories。其目标是证明复合材料零件可以取代飞机结构中的金属，从而实现高生产率并具有成本竞争力。该项目还能够对CF/PEKK材料进行表征。

利奇说：“我们在扁平CCM机器中用六层Hexcel IM7/PEKK 190级材料制造了Ω长桁。”。“通常情况下，你会在双轴CCM中制作它，这更容易。但我们有一种方法可以在平面CCM中制作Ω形状，这可以降低工具和设备的成本和复杂性。”

用于大型TPC航空结构的AAMMC技术中心

ATC制造公司也是美国航空航天材料制造中心（AAMMC-American Aerospace Materials Manufacturing Center ）的关键合作伙伴，该中心将推动大型TPC航空航天结构和材料的供应基地达到技术准备水平（TRL-technology readiness levels ）6-9。它将包括一个先进复合材料的试验台和技术成熟设施，位于华盛顿州斯波坎的波音凯旋大楼内，该大楼由湖畔（Lakeside）公司所有。

用于大型热塑性复合材料的AAMMC技术中心地图

大型热塑性复合材料联盟的AAMMC技术中心

大型TPC航空结构和材料目标的AAMMC技术中心（上）

区域发展图（中）和财团合作伙伴（下）。

湖畔（Lakeside）公司营销总监玛丽亚·卢萨尔迪（Maria Lusardi）解释道：“我们认为，在美国更快地将热塑性塑料和先进复合材料推向工业，对供应链竞争力和我们的国内制造基地至关重要。此外，这些材料为生产轻质、高强度零件提供了更快的循环时间。如果不大幅减少复合材料零件的循环时间和每件成本，工业就无法满足当前对飞机的预期需求，也无法实现净零排放目标。”。

AAMMC联盟包括从斯波坎到爱达荷州科达伦的公司和教育机构。它旨在为下一代复合材料航空结构开发颠覆性的高速生产解决方案，并加快实现美国国家航空航天局和航空工业到2050年的净零排放目标。作为2023年10月成立的31个技术中心之一，AAMMC从联邦芯片和科学基金中竞争5亿美元，于2024年2月提交了第二阶段提案，要求EDA提供7200万美元，外加800万美元的行业承诺，前5年的资金总额为8000万美元，之后将自给自足。卢萨尔迪说：“资金申请的很大一部分是设备，包括生产TPC坯料的AFP（自动纤维放置）、大型冲压机以及机加工和无损检测设备。第二阶段资金的获胜者将于2024年夏天宣布，资金将于秋季发放。

我们的目标是用两年时间安装和调试所有设备。同时，我们将开始加大劳动力培训力度。例如，这将包括以复合材料为重点的机械加工学徒制。所有联合体成员都承诺提供现金、劳动力培训、设备、员工时间、在其设施的机器上的时间或其他有利于中心成员的重大贡献。我们认为西北（Northwest）科技中心拥有广泛的人才以及对整个地区和整个航空业的重要影响。”

人工智能辅助无工具TPC焊接

德国航空航天中心（DLR）结构与设计研究所（斯图加特和奥格斯堡）展示了其使用双机器人对TPC结构进行无工具AFP和无夹具焊接的发展视频。与通用原子公司和Mikrosam在2019年展示的技术类似，多机器人单元用于降低夹具和模具的成本和时间，并增加复合材料航空结构的设计灵活性。机器人平台精度的提高使用了人工智能辅助的轨迹几何校正，以及AFP和超声波焊接过程中机器人结构变形的建模、参数识别和实时补偿，以产生复杂的弯曲复合结构。

这一发展也是国际性的，是加拿大国家研究委员会（NRC-AMTC，蒙特利尔）和德国航空航天中心轻量化生产技术中心（ZLP，奥格斯堡）之间的合作。ZLP提供飞机结构部件、TPC生产流程和自动离线机器人编程方面的专业知识，而NRC则为多机器人系统提供几何和弹性校准技术以及实时路径补偿模块。

火箭喷嘴、活塞环和光学工作台中的C/C-SiC

DLR展示了三个不同的陶瓷基复合材料（CMC-ceramic matrix composite）项目：

德国航天中心已经开发了陶瓷基复合材料（CMC）火箭喷嘴扩展件，以减少可重复使用运载火箭的磨损和重量。

ATHEAt项目（2022-2025年）旨在提高可重复使用运载火箭和未来太空运输系统的关键高温部件的可靠性。部件将通过地面和飞行测试进行演示。利用碳纤维和碳碳化硅基体（C/C-SiC），为德国航空航天中心的Viserion+混合动力发动机设计并生产了火箭喷管扩展件。其目的是通过大幅减少磨损和部件重量来提高喷嘴效率，从而实现重复使用。已经在地面测试中得到证实的探空火箭飞行测试正在准备中，作为资格鉴定的一部分。

KoRSICa项目（2018-2022）开发了C/C-SiC活塞环，以取代金属环，实现更高温度、更高效的发动机发电。单片陶瓷能承受很高的温度，但对于单片活塞环来说太脆了。纤维增强CMC满足机械载荷和弹性要求，基体中的无定形碳增加了自润滑，可防止干运行以及活塞卡住和发动机损坏的风险。这些环正在接受当地能源项目的测试。

这台用于卫星的轻型CMC光学工作台的演示旨在提高刚度，同时最大限度地减少关键传感器的热膨胀。

 

欧洲航天局（ESA）与法国泰雷兹阿莱尼亚航天公司（TAS-F）合作的技术开发要素（TDE- Technology Development Element）项目“C/C-SiC光学工作台开发”（2022-2024年）。目标是使用CMC为卫星开发超稳定的光学工作台，以实现高刚度和接近零的热膨胀。制造了一个通用的演示器（600×600×60毫米），包括基于原位连接的C/C-SiC插件的接口概念，以避免金属插件可能产生的最小局部变形。演示器将由TAS-F进行测试。

最大的熔渗（melt-infiltrated ）C/SiC部件

CIRA开发了这种C/SiC CMC机头，作为欧空局太空骑士号热保护系统（TPS）的一部分，计划于2025年首次飞行。

 

Centro Italiano Ricerche Aerospaziali（意大利卡普亚），简称CIRA，展示了Space Rider的CMC机头，这是一个可重复使用的非折叠机器人实验室，由欧空局开发，面向商业和机构客户。Space Rider与两辆小型货车大小大致相同，是一款端到端的运输工具，旨在提供负担得起的独立太空通道。太空骑士号将发射，在轨道上停留1-2个月，完成科学和商业任务，然后返回地球。

 

据一位美国技术专家介绍，CIRA开发的鼻锥是迄今为止生产的最大的熔渗（melt-infiltrated ）CMC结构之一。该结构使用ISiComp，这是一种基于碳纤维增强碳化硅（SiC）基体的专有CMC技术，由CIRA和Petroceramics（意大利贝加莫Stezzano）联合开发。ISiComp的机头、腹部瓦片和机体襟翼构成了太空骑士的热保护系统（TPS- thermal protection system）。CIRA Space Rider项目负责人朱塞佩·鲁沃洛（Giuseppe Ruvolo）解释说，鼻子最初是一个碳纤维增强的酚醛绿色壳体，通过热解转化为陶瓷。“Petroceramics进行热解和硅熔体渗透。我们在SCIROCCO等离子体风洞（PWT-plasma wind tunnel）中测试了这一部件，并确认其能够承受多次重返大气层的条件而不会发生任何退化。它暴露在高焓高超音速流中，产生1500°C的表面温度，持续六个超过14分钟的循环，每个循环都完全代表了从低地球轨道重返大气层，总暴露时间为破纪录的90分钟。

 

自2016年以来，CIRA已开发出完全集成的能力，包括用于太空应用的大型CMC组件的设计、新型材料、工艺和测试。如上所述，2018年，第一架演示机在SCIROCCO进行了测试，随后于2019年进行了全尺寸的Space Rider机身襟翼测试，2020年进行了鉴定模型测试，2022年进行了全面的TPS机头测试。CIRA复合材料原型实验室负责人费利西·德·尼古拉（Felice De Nicola）指出，SCIROCCO是世界上最大的等离子体风洞（PWT）设施。“我们还进行振动和热测试（摇晃和烘烤），并有一个专门用于太空零件的资格实验室。”

用于织女星C和卫星的干纤维/注入各向异性栅格

CIRA还展示了用于太空应用的独特碳纤维增强热固性复材（CFRP）网格结构，包括Avio（意大利Colleferro）Vega C发射器的2/3级间结构，以及中型卫星的中心体、可展开天线吊杆和锥形适配器。2004年，CIRA开始使用湿法和预浸料缠绕制造网格结构。到2009年，它已经获得了一项“平行缠绕-parallel winding”技术的专利，从而实现了一种高效且可扩展的方法，用于创建交错的螺旋肋和环肋的各向异性网格结构。

Vega C发射器级间采用CIRA的专利工艺制造，该工艺使用机器人缠绕来形成螺旋肋，而筒子架进给丝束以同时交织环肋。

 

德·尼古拉说：“我们支持Avio生产Vega C级间产品，并与他们合作，在我们的实验室中使工艺成熟。”。“我们一起在我们的设施中开发了第一批原型机。我们花了2周时间绕制了直径2.4米、长度2米的织女星级间原型机。在2018年成功完成测试（包括高达750吨的压缩载荷）后，Avio随后生产了认证零件。”织女星C于2022年首次飞行，但由于Zefiro发动机喷嘴出现故障，第二次发射后任务暂停。织女星C计划在2024年晚些时候恢复飞行，并在2025年进行密集的发射计划。”

使用CIRA专利工艺制成的复合各向异性网格将螺旋肋和环肋交织在一起，以实现固有的损伤容限，而不会在节点处堆积。

 

该技术被CIRA称为“网格平行缠绕和液体注入（-Grid parallel winding and liquid infusion）”，使用机器人头缠绕螺旋状干纤维丝束，而筒子架同时为缠绕环肋提供丝束，因此它们是交错的。在结构边缘的心轴上的销钉可以形成环，这样就不会切割纤维。德·尼古拉说：“我们在层压板中实现了完美的横截面。”。“因为我们使用干纤维代替预浸料，所以节点处没有变形和堆积。”这些结构本身也具有耐损伤性。“我们能够将光纤集成到晶格中，就像我们在一个1.4米直径、重7公斤的锥形适配器演示器中所做的那样。这在以色列航空航天工业公司进行了80吨的测试。对于这些干纤维各向异性网格预成型件，我们还集成了交错的热固复材凸缘、窗框和局部连接点，然后共同注入和固化整个结构。我们已经成功地测试了这些局部连接件通过肋的螺栓的承载力。”

 

英国定制CMC。

 

高温材料系统（HTMS，Bristol，英国）于2021年成立，在展会的启动助推器区域展出，旨在开发可承受300-1000°C温度的定制氧化铝基质CMC材料。迄今为止开发的产品包括：

• KappaCera：一种新型CMC材料，即使在高温环境中也具有低介电常数，这是将先进纤维集成到HTMS最先进的基质系统中并优化整个系统内化学成分的结果。
• CarboniteX：将高强度碳纤维融入HTMS的先进基体系统中，这将碳纤维基系统的操作极限远远超出了当前的温度能力。
• PhantomWeave：一种多功能CMC系统旨在满足国防部门的复杂要求，结合了低可观测特性和高温耐久性。
• IgniShield：一种低密度材料，使用具有HTMS专有基质的玄武岩编织纤维制成，专为汽车、航空航天和能源等行业的防火/防烟/毒性应用而设计。

 

德国SiC纤维和CMC部件

BJS Ceramics和BJS Composites（Gersthofen，德国）分别成立于2014年和2015年。BJS使用专有工艺生产自己的SiC纤维，品牌为Silafil。它还使用Silafil预陶瓷聚合物作为基质渗透碳和SiC纤维增强材料，以制造Keraman CMC材料和零件。

 

“我们有一个全欧洲的供应链，”合伙人兼联合创始人尤塔·舒尔（Jutta Schull）说。“我们正在将CMC零件销售到航空发动机、太空和国防应用中，这些应用需要高强度、耐高温和热冲击。我们提供按需制造服务以及原型和小批量生产。”

 

BJS正在开发一种专有工艺，在浆料中使用短切SiC或碳纤维3D打印CMC零件。舒尔说：“我们正在研究短纤维，并朝着超长纤维的方向发展。”。该公司还开发了增强金属基复合材料（MMC-metal matrix composites）的纤维，例如用于减轻起落架的重量。

 

这些公司正在提高产能。舒尔指出：“我们看到航空航天和国防部门的需求增加，但能源行业的需求也在增加，包括核裂变和核聚变，因为冷却泵不会出现故障。”。“这也适用于在恶劣条件下进行水管理的泵，如脱盐（盐）和应急泵（泥浆、淤泥）。CMC提供了极致的耐用性，确保了重要基础设施的安全和持续运行。”她引用了SiC/SiC泵轴承套的例子，该轴承套已连续生产25年。

 

关于CMC部件在核能中的潜力，尤塔·舒尔指出，“CMC可以改变游戏规则。根据我们客户的发现，由于其耐热性、高耐损伤性和抗辐射性，SiC/SiC部件可以使聚变反应堆的发电量翻倍。当然，这些是长期但非常令人兴奋的开发项目。”

用于复合材料制造的感应加热工业化

Corebon展示了加热外壳工具（左）及其一系列加热电镀产品（CorePlate Adapt，右上）

Corebon（瑞典马尔默）开发了模块化、适应性强的感应加热技术，可以对现有生产设备进行改造，以提高产能。它可以实现非常快速、均匀的加热，消除长时间停留，将循环时间缩短80%，从而节省50-80%的能源。该公司展示了其加热板产品、感应焊接装置和外壳工具解决方案，这些产品可能使用相同的电源和控制设备。其加热板产品包括：

 

• CorePlate一体式加热和冷却板（500×500毫米），用于集成到压力机中。以35°C/分钟的速度加热至275°C，以120°C/分的速度冷却（与传统方法相比，加热和冷却速度分别快3-4倍）。多个相邻板可用于大型零件几何形状和多腔工具。
• CorePlate Adapt仅在放置模具的地方使用基座感应加热，最高可达220°C，最高可达50°C/分钟。定制尺寸，适合各种印刷机。将板材装入压机，并将模具放置在每块板材上。可根据要求提供冷却。
• CorePlate Tailor专为每种几何形状而设计，非常适合大批量生产，能够以高达100°C/分钟的速度加热至220°C。冷却可根据要求提供。其加热速度是传统复合材料加工技术的三倍。

使用Corebon感应加热（CorePower设备位于Spidui海报上方的黑色视图窗口中，如左图所示）和九腔匹配金属模具（右图）将TFP预成型件（右图底部）在不到5分钟的时间内整合成玻璃和碳纤维PA6部件的Unwind3D的Spidui成型池。

Unwind3D（意大利瓦雷泽）是工业刺绣机供应商ZSK（德国克雷菲尔德）的子公司。Unwind3D与世界各地的客户合作，为TPC零件的生产提供量身定制的解决方案，这些零件得益于定制纤维铺设（TFP-tailored fiber placement）技术的使用（由ZSK设备实现）。

该公司展示了使用感应加热九腔钢工具的Spidui成型池，展示了带有PA6基质的TPC预成型件的快速压缩成型循环（<5分钟）。Corebon感应加热线圈位于顶部和底部模具的每个腔中。冷却是通过水或空气实现的。一体化软件实现了用户友好的操作。

编译感言

本文的亮点，亮就亮在最前沿的材料、工艺技术。PEKK热塑复材是目前性能最佳的受力结构材料。多种CMC陶瓷基复材及工艺，展现出在特殊环境中应用的前景。特别是其中一些信息，首次在网上看到。值得同仁们继续关注。

原文见，《JEC World 2024 highlights: Thermoplastic composites, CMC and novel processes 》 2024.4.10

杨超凡 2024.4.11