热塑性复合材料机翼即将到来？

　　[据《复合材料》杂志2016年5月9日报道]飞行器结构中的热塑性复合材料经过了长期的审查，因为这一类材料有实现快速成形的潜力，具有焊接性、优越的天然疲劳性能和火/烟/毒（FST）属性。空客和波音在各种零部件上投入了可观的研究经费，从尾翼到机身结构。因此，小的热塑性复合材料零件，比如一些片状和板状零件以及内饰结构，已经得到采用；航空结构正在进行量产，包括飞行器地板壁板和飞行关键结构，比如空客几型飞机（如A380）的机翼前缘。进一步地，湾流航宇G650飞机的垂尾是热塑性复合材料结构。
　　不过还有一个障碍存留：如何经济地、使用非热压罐方式制造大型热塑性航空结构枣机翼蒙皮和机身段，并且拥有可接受的零件孔隙率。
　　空客集团防务与航天公司支持西班牙的航空实体开展了一系列相关技术研究。西班牙复合材料研发应用中心（FIDAMC）验证了碳纤维/热塑性机翼机构可以通过自动化和非热压罐固化方法直接制造，减少加工步骤并终降低零件成本。其新研究项目“非热压罐复合材料机翼”，终将进行地面试验并试飞一个热塑性复合材料机翼结构。
　　OUTCOME由“洁净天空2”计划支持，该计划是欧盟公私合作研究计划，总预算40亿欧元“洁净天空2”的终目标是开发和验证大化燃油效率和减少飞行器排放与噪声的民机技术。
　　一，热塑性AFP
　　FIDAMC研究了其大型OOA热塑性复合材料技术多年，之前四个项目旨在开发基于激光束加热、原位固化和复杂零件共固化的自动铺层，使用MTorres的CNC纤维铺放设备。工作于2010年以战略技术研究委员会（CENIT）支持的“智能技术和环境可持续地生成复合材料结构”（TARGET）项目启动，项目生产平面壁板。西班牙工业和创新部和CENIT支持的“先进复合材料创新和后端优化”项目（ICARO）生产了更多壁板以及更复杂的结构，研究了共固化的方法。2015年结束的绿色支线飞机（GRA）项目和近完成的“洁净天空——热塑性原位固化工艺工业化设置”（ISINTHER）项目，让FIDAMC开发一个原位制造工艺。现在，OUTCOME项目下，之前的工作将转到提升成熟度上来。OUTCOME的合作伙伴包括Aernnova、西班牙Tecnalia航空中心、CATEC和航空技术中心CTA，空客是项目牵头方。
　　尽管铺放热塑性预浸料的自动化手段肯定是得到验证的技术，但它们针对大型主结构还不成熟，所以还是很危险。FIDAMC复合材料高级专家表示：?#24403;前的热塑性手段要求成形设备能够施加压力枣通常是一个热压罐。其它项目用热压罐固化热塑性零件以加速固化和降低孔隙率到2%的，需要高资本和能量成本，所以专注小零件。我们正在开发一个针对大型零件的完全非热压罐的工艺，同时保持良好的性能。一步法生产的机遇涉及气焊、红外或激光加热材料，以及通过共固化集成结构枣即在一个步骤中熔融蒙皮和筋。
　　在ISINTHER项目，一个共固化热塑性验证件壁板使用三个不同阶段生产出来：
　　１， 加强筋层板配料铺层，由ＭTorres自动丝束铺放（AFP）激光加热头；
　　２， 使用一个模压机实施加强筋热成形；
　　３， 平面和弯曲蒙皮壁板在成形的加强筋上铺层，壁板制造和加强筋在一个步骤中集成（原位固化）。
　　项目的关键是安装在龙门机床上的MTorres AFP头，可以在一个平面或芯轴工装上熔化、沉积和冻结单向热塑性狭长带。它的热源是500W Nd-YAG（掺钕钇铝石榴石）可变光学二极管激光器，能够连续和均匀地将预浸料加热到400癈，这个温度是熔化高温热塑性树脂所必需的。扫描器在来料带和基材之间优化分布激光能量。一个保形固化辊向加热的预浸料施加充足的力，以达到共熔化和固化。MTorres AFP头采用公司的在线旋转切割和加料技术，可快速沉积而无需停下来切割。
　　当机床安装时，它有一个单独的辊来在熔化区域施加压力，后来增加了第二个辊用于在冷却或冻结阶段（材料结晶化）额外固化。项目试验了几种辊的材料，佳解决方案是两个橡胶辊。
　　“固化过程中的关键问题是足够长时间保持温度，以通过整个层板得到合适的热传导。”因此在之前的项目中对机床进行了几处修改。后的改变是在两个辊之间增加了第二个激光器，这就可以修改冷却速度以及结晶化程度，从而达到佳的材料性能。
　　铺丝头还配备了工艺监测：它拥有一个红外摄像头和一个高温计以记录应用温度并在加工过程中跟踪热量历史。它还记录沉积速度。
　　对ISINTHER项目，加强筋先在一个平面金属工装上进行铺放，材料是Cytec公司6.2mm宽的AS4/APC2碳纤维/聚醚醚酮（PEEK）热塑性单向狭长带。铺放顺序（0°/+45°/-45°），生成一个2.1mm厚的坯料。坯料置于带有红外灯的压膜运输机的两个盘之间，加热到400℃（带有热电偶控制）之后快速运输到压膜机内进行5min的成形过程。选择了欧米伽形（或帽子形）的加强筋来模拟典型机身结构；还成形了T形加强筋，但是在一个热压罐工艺中。
　　飞行器结构中的热塑性复合材料经过了长期的审查，因为这一类材料有实现快速成形的潜力，具有焊接性、优越的天然疲劳性能和火/烟/毒（FST）属性。空客和波音在各种零部件上投入了可观的研究经费，从尾翼到机身结构。因此，小的热塑性复合材料零件，比如一些片状和板状零件以及内饰结构，已经得到采用；航空结构正在进行量产，包括飞行器地板壁板和飞行关键结构，比如空客几型飞机（如A380）的机翼前缘。进一步地，湾流航宇G650飞机的垂尾是热塑性复合材料结构。
　　不过还有一个障碍存留：如何经济地、使用非热压罐方式制造大型热塑性航空结构枣机翼蒙皮和机身段，并且拥有可接受的零件孔隙率。
　　空客集团防务与航天公司支持西班牙的航空实体开展了一系列相关技术研究。西班牙复合材料研发应用中心（FIDAMC）验证了碳纤维/热塑性机翼机构可以通过自动化和非热压罐固化方法直接制造，减少加工步骤并终降低零件成本。其新研究项目“非热压罐复合材料机翼”（OUTCOME），终将进行地面试验并试飞一个热塑性复合材料机翼结构。
　　OUTCOME由“洁净天空2”计划支持，该计划是欧盟公私合作研究计划，总预算40亿欧元。“洁净天空2”的终目标是开发和验证大化燃油效率和减少飞行器排放与噪声的民机技术。
　　二，解决方法问题
　　使用热压成形制造加强筋需要解决几个问题，包括层板熔化时的工作温度、时间、加热速度、传导时间，以及冷却速度。空客在项目中要求的AS4/APC2热塑性预浸料，带来了一些挑战，包括纤维浸润和预浸带厚度的变化。为了使项目中使用的原位手段达到非常低的孔隙含量，带必须有一个统一的纤维/树脂分布。
　　FIDAMC开发了一个定制的内热式钢铺放工装，尺寸800mm*600mm，由像平台的一个表面及其下面的支撑结构组成，以及一个10mm深、100mm宽和800mm长的纵向埋头孔“谷”或凹槽。一个成形的碳纤维/PEEK加强筋可以倒置在凹槽中，平面缘与平面工装表面平齐。“工装允许我们在凹槽中放置一个固化的热塑性零件，然后在其上用自动化机床铺放蒙皮。”热塑性蒙皮将通过激光加热头以一个拟各向同性的铺放顺序、与加强筋相同的厚度沉积。
　　开始，这也存在挑战：因为PEEK材料没有粘性，它不会粘在工装上。“我们不得不给铺放工装增加一个真空系统，以帮助固定层。之后是加强筋的缘很难熔化并粘在蒙皮的层上。我们测试了几种加强筋缘的表面处理方法，包括几种脱模布。”脱模布不管用，所以终，使用细粒磨料手工打磨来使缘能够与蒙皮铺层共固化。
　　ISINTHER项目终生产了一个600mm*800mm的全尺寸壁板验证件，带有两个共固化的直欧米伽形加强筋，以及一个由短加强筋加强的驾驶舱框。终的零件在第二个模块式工装中成形，这种工装的设计通过交换可互换的模块，可容纳不同尺寸和外形的加强筋，模块按照许多凹槽尺寸和配置制作。“有了模块化工装，我们可以制造由两类欧米伽形加强筋加强的壁板，甚至是另一种外形的带一个啮合扣的加强件。所有需要改变的就是加强件模块。”
　　FIDAMC记录了其工艺参数并执行了碳纤维/PEEK铺层成品的拓展试验，同时进行了实时工艺监测。平面内剪切强度（IPSS）标准试验按照ASTMD 3846方法执行，用于评价零件固结度（DOC），并与热压罐样品比较，因为剪切强度是“基体-界面”能中的决定性因素。数据显示零件在基体中的结晶度是35%-45%，无需进一步后固化或真空袋/热压罐处理。试样试验显示了蒙皮和加强筋之间的完全共熔化和材料连续性。项目还开发了一个设计许用值数据库。“我们得到了一个成熟且耐久的共固化制造工艺，通过一个实际的飞行器加筋框，以及可接受的孔隙率得到确认。随之得到的知识将用于近启动的OUTCOME项目中。”
　　三，工艺的工业化
　　OUTCOME项目已经开始。FIDAMC及其合作伙伴想要改进工艺并使其规模化，生产更大的加筋机翼蒙皮壁板，并将其加到CS2支线飞机记忆中，在2020年进行试飞。项目还要完成几项额外的任务，其中有铺放生产率的持续改进（更宽的带或同时铺更多的带）。而且，一个八束的铺丝头将加到现有的MTorres机床中，包括新改进的激光光学装置。该技术改进将用于生产有更复杂外形的零件。不同的加强筋类型也将使用辊成形甚至热压罐固化方法生产。还将针对加强筋与蒙皮的粘合研究改进的表面热处理方法，包括等离子手段。
　　后，项目将扩展其已经研究的修理策略。制造试验已经验证了原位修理的可行性，可能扩展到通过一个可靠的坯料加热系统和一个便携修理技术而在役使用。“研究其它用于在役修理的粘合技术很有趣，包括本地加热系统和熔融粘合技术、料块加热或胶接。”
　　OUTCOME的目标是在原位热塑性铺放工艺上达到技术成熟度等级（TRL）6级。“对比热固性材料，热塑性材料提供了损伤容限、化学抗性、无限的车间寿命、焊接性，回收能力和更短的制造周期。不仅是材料性能高，还可能更快地加工，有更低的寿命周期成本和环境可持续性。”（中航工业经济技术研究院  刘亚威）
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