现代飞机的内饰需要轻便，高承载的工程结构。 设计空心零件可能是实现这些目标的选方法。 然而，由热塑性复合材料制造空心型材有加工和模制方面的挑战。本文介绍了如何使用具有高压灭菌器（OOA）闭模工艺的称为COEXM（用于Compsult可膨胀材料）的技术成功地制造出满足飞机座椅结构要求的概念热塑性复合材料座椅靠背框架的中空型材，并通过滥用静态负载测试。SABIC设计并开发了空心截面的座椅框架，该框架具有集成的后隔板，分别使用编织物和复合半预浸料织物，由混合碳纤维和ULTEM聚醚酰亚胺（PEI）热塑性纤维组成。 与现有的热固性塑料相比，这种新颖的设计为减轻重量提供了机会，并且可以大大减少加工时间。 它还具有通过减薄内饰来减小座椅靠背厚度的潜力。 热塑性复合材料表面光洁度令人愉悦的触感和美感可以潜在地消除单独的覆盖物。

　　飞机座椅用热塑性塑料

　　飞机原始设备制造商的现有材料有一些限制。金属具有设计和加工不灵活的特点，而热固性材料不可回收，加工时间延长且原料保质期有限。与金属相比，热塑性塑料具有更大的设计自由度。与热固性塑料相比，它们的加工周期更短，并且可以通过加热到其软化温度以上而快速重新成型或重塑。 热塑性塑料的其他优点包括以复合形式使用时具有高强度，低吸湿性和延长的原料保质期。PEI树脂和复合材料等热塑性塑料已用于飞机内部部件。 PEI具有高耐热性，高强度，符合烟熏毒性（FST），低热释放和低吸湿性的特点。

　　采用PEI复合材料和OOA技术的概念座椅靠背

　　近的一项研究旨在开发一种概念飞机座椅靠背，该概念飞机座椅靠背框架采用PEI复合材料和OOA技术制成，同时满足结构要求和减轻重量。为了证明PEI树脂的OOA可加工性，使用COEXM技术生产了概念座椅靠背。这种热激活的，可膨胀的，可消耗的介质被用作一个核心，使中空的，混合纤维复合织物部件在一个封闭的模具内成型，而不需要高压釜。

　　确定佳的空心截面配置

　　生产用于框架的中空部分以提供强度和轻质，需要确定其佳构造。 考虑到屈曲对各种横截面的影响后，研究小组验证了封闭（箱形）截面的性能要好于开放（C形）截面。 在具有相同材料和重量的设计中，即使添加了截面肋骨来稳定，封闭部分与开放部分相比承受的载荷也要多38％。

　　选择佳制造工艺

　　在筛选了中空型材的几种制造工艺之后，团队选择了Compsult的COEXM技术。 使用COEXM的成型过程包括四个步骤：

　　准备工作：将由碳纤维和热塑性纤维混合制成的复合编织物插入由铝片制成的可消耗膜上，并填充COEXM粉。 然后将预成形的叠层放置在模具型腔中。

　　成型：密封模具并在红外线烤箱中加热。一旦加热，压粉芯膨胀以形成模腔的形状。 加热温度取决于基础树脂，膨胀比和浸渍时间。加热周期结束后，可以快速冷却模具。

　　清洁：将复合零件脱模，并从零件型腔中去除粉末残留物芯。除去的一些粉末可以在过滤和回收后再利用。

　　精加工：铝膜可以使用化学方法去除，也可以根据需要留在内部。 零件可以进行后处理，包括修整和精加工。

　　OOA成型与替代工艺

　　通常，用于制造中空部件的过程使用囊芯，例如填充有可膨胀介质的硅树脂囊。 但是，硅囊对于高温热塑性塑料是不可行的，因为它会在很高的成型温度下降解。聚酰亚胺（PI）薄膜的可消耗气囊在笔直的部分上效果相对较好，但对于具有突然方向变化的形状，则无法达到预期的性能。在OOA工艺中，铝膜（约占座椅靠背重量的1.5％）可以保留在终零件中，也可以使用酸性溶剂溶解。与替代方案相比，该方法也可能是生产复杂中空型材的更简单方法。成本是另一个潜在的优势。 根据一项成本评估研究，采用OOA工艺模制一个1英寸的空心方管每米的成本为1.20至1.50美元，而使用自耗PI管的成本为12至18美元。 高温硅胶囊每米的成本超过50美元。

　　座椅靠背开发

　　座椅靠背开发项目旨在验证PEI光纤对新型OOA技术的使用并确定其处理效率。 应用程序开发团队使用一级供应商提供的商用座椅靠背几何形状和行业测试方法来设计热塑性座椅靠背，以满足适航静态载荷的要求。

　　材料特性与加工

　　座椅靠背的初始3D CAD模型是基于商业样品的。 模拟软件被用来执行有限元分析，使用来自混合纤维供应商的材料特性作为输入。

　　有限元分析

　　图3.有限元分析加载图

　　图3说明了考虑进行有限元分析的三种载荷情况。 Tsai-Wu5大破坏指数显示出的裕度系数根据负载情况在1.25到7.5之间变化。

　　复合叠放和堆叠顺序

　　由混合纱线制成的编织物用于构建框架。 堆叠顺序是从3D模型获得的，以实现适当的厚度。 复合材料叠层被逐步堆叠，在铰链区域附近具有更多的编织层，以克服相对于座椅靠背顶部的高应力。对于座椅靠背膜片叠层，织物的取向为±45°，以承受扭转载荷并支持正常的使用载荷条件。

　　模具加热固化

　　将封闭的模具用红外（IR）加热器外部加热28分钟，升温速率为每分钟12°C。 一旦达到目标温度375°C，则将其保持至少15分钟，以使热量在模具的整个体积上均匀分布。

　　座椅靠背结构性能

　　为了验证新的OOA座椅靠背样品，每次测试用于确定结构完整性。 必须测试更多样本以实现统计验证。

　　测试装置和固定装置

　　试验夹具的设计和施工代表了商用飞机座椅在一个前静态负荷位置。

　　正向静载荷测试

　　该测试负载施加在座椅靠背的左上角。 为了证明滥用负荷的可持续性，测试负荷从下限（200磅）逐渐增加到上限（300磅），并继续增加到滥用负荷（500磅）。

　　侧面静载荷（与水平方向成15°）测试

　　该测试代表了座椅靠背框架的侧向静载荷。 侧面载荷施加在座椅靠背的左上角，相对于水平面向下15°。 测试负载从下限逐渐增加到上限，并持续到500lbs的滥用负载。

　　膜片后推载荷测试

　　该测试代表乘员在飞行中后背施加的载荷。 在垂直平面的膜片中心施加载荷。 测试负载从下限逐渐增加到上限，并持续到500lbs的滥用负载。

　　测试结论

　　上述所有静载试验，在上、下荷载作用下，挠度均在许用极限以下，在滥用荷载作用下，均未出现永久变形或破坏。

　　热塑性复合材料座椅靠背的潜在优势

　　通过在飞机座椅靠背中用热塑性复合材料代替金属和热固性树脂，OEM可以潜在地获得好处，包括减轻重量，缩短制造周期并节省飞机的空间-所有这些都不会牺牲性能或外观。

　　PEI复合座椅靠背项目使用新型OOA技术的成功，以及设计的性能验证，展示了在其他航空航天应用中替代传统材料的潜力，如座椅部件、座椅围护和装饰护罩、HVAC管道和头顶存储箱。（来源：SABIC）