熱塑性復(fù)合材料的自身特性使其成為重量輕、低成本宇航結(jié)構(gòu)件的理想材料，該類復(fù)合材料以韌性高、重復(fù)加工性好和防火性能強而著稱。針對大型主結(jié)構(gòu)件（如蒙皮加筋整體壁板）正取得了多個階段性進展。新材料、創(chuàng)新的設(shè)計理念和航空技術(shù)是主要的創(chuàng)新要素。

熱塑性復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

熱塑性復(fù)合材料因其自身的特性而在航空航天領(lǐng)域日益受到青睞。其高韌性使得設(shè)計更輕的結(jié)構(gòu)成為可能；其物理加工只需熔化，無需固化周期，從而實現(xiàn)了快速而穩(wěn)定的加工；其卓越的FST（防火、防煙和防毒）特性和可循環(huán)使用性也是一個顯著優(yōu)點?？湛妥罱c荷蘭人成立了一個TAPAS 項目團隊。一個名為TPRC 的國際熱塑性復(fù)合材料研究中心也于2009 年在荷蘭成立?，F(xiàn)在，最新型飛機上越來越多地采用了熱塑性復(fù)合材料零件和組合件，如很多飛機項目上采用了多肋設(shè)計理念和用TEN CATE 公司的玻璃纖維/ 聚苯硫醚制成的A380 焊接固定翼前緣（圖1）。 copyright 123456



熱塑性復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)件是一個過去即有涉獵的領(lǐng)域。灣流G550和G650 飛機的壓力艙壁板（圖2）是一系列帶壓力成型加強肋的碳/聚醚酰亞胺。空客A400M 的駕駛艙地板就是用熱塑性復(fù)合材料制造的。最近，已經(jīng)著手焊接主操縱面。新型灣流G650 公務(wù)機（JEC2010 創(chuàng)新獎得主）的方向舵和升降舵就是感應(yīng)焊接的多肋扭力盒結(jié)構(gòu)（圖3）。



感應(yīng)焊接是由KVE 復(fù)合材料集團的荷蘭專家開發(fā)，并由?？撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司實現(xiàn)工業(yè)化的一項技術(shù)。

這種碳/PPS(Ten Cate 先進復(fù)合材料公司) 的多肋設(shè)計比此前的碳/環(huán)氧樹脂夾層結(jié)構(gòu)重量降低10%、成本降低20%。焊接代替膠接和螺接是降低成本的重要因素。這一點與肋的模壓成型和簡便的蒙皮和梁的鋪疊和共固結(jié)成型一樣。 本文來自123

一種整體加筋的熱塑性蒙皮理念的發(fā)展

2003 年，一種碳/ 聚醚醚酮單向帶（Cytec）制成的客機地板梁得到發(fā)展。這種可高效制造產(chǎn)品很適合航空業(yè)，因此，緯線鋪放（pick & place）被選作腹板和緣條的預(yù)成型體成型方法。所有這些元件都在共固結(jié)的過程中被熔合在一起。在研發(fā)工字梁組合件的過程中，曾經(jīng)尋求一種可簡化制造大量加強肋的方法。該方法是“對接”1 塊平層壓板，將其與普通工字梁共固結(jié)在一起（圖4）。這被證明是一個有效的解決方案。在制造上比最初設(shè)計的壓力成型加強肋的方法簡單得多。對接強度采用注射成型，增加了坡口圓角半徑，得到了優(yōu)化（圖5）。



對接體系的開發(fā)為創(chuàng)新設(shè)計提供了全新的機會，如正弦波梁（圖6），一般情況下很難用復(fù)合材料制造。另外一個因?qū)永砟疃Q生的設(shè)計是蒙皮加筋整體壁板。首先，平面預(yù)成型T 型加強筋，然后將其與蒙皮共固結(jié)。荷蘭國家航空航天實驗室在2008 年成功研發(fā)了這種壁板，并在剪切和壓縮荷載下得到試驗驗證（圖7）。 內(nèi)容來自123456



大型熱塑性主結(jié)構(gòu)件

荷蘭的工業(yè)部門、研究機構(gòu)與空客公司從2005 年開始在熱塑性領(lǐng)域合作，并在2009 年得到進一步加強。經(jīng)空客公司提議，荷蘭經(jīng)濟事務(wù)部發(fā)起建立了一個荷蘭公司和研究院所的聯(lián)合體。他們與空客聯(lián)手發(fā)起了一個為期4 年的名為TAPAS 的飛機熱塑性主結(jié)構(gòu)件的項目。TAPAS 項目的目標是為未來飛機項目建立一項制造大型主結(jié)構(gòu)件所必須的熱塑性復(fù)合材料技術(shù)。材料、制造工藝、設(shè)計理念和所用工具必須達到6 級技術(shù)成熟度水平（TRL）。作為該項努力組成部分的全尺寸演示產(chǎn)品正在研發(fā)中，關(guān)鍵技術(shù)包括：研發(fā)并認證合適的材料、對接和纖維焊接、壓力成型和纖維鋪放等制造技術(shù)。

TAPAS 項目的參與方為：空客公司、?？撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司、Ten Cate 先進復(fù)合材料公司、機載技術(shù)中心、KVE 復(fù)合材料集團、DTC、Technobis 纖維技術(shù)公司、德爾福特理工大學和圖恩特大學。荷蘭國家航空航天實驗室同時承擔相關(guān)課題的研究和項目的驗證工作。 本文來自123

福 克航空結(jié)構(gòu)件公司為航空航天和防務(wù)工業(yè)設(shè)計、開發(fā)和生產(chǎn)輕質(zhì)航空結(jié)構(gòu)件?？蛻舭湛汀⒉ㄒ?、洛克希德·馬丁、灣流、達索、普惠和荷蘭航天公司。熱塑性復(fù) 合材料因其成本效率和環(huán)境優(yōu)勢而成為?？斯镜年P(guān)鍵技術(shù)。該公司與客戶、研究機構(gòu)和供應(yīng)商的共同參與和合作為該類材料的持續(xù)發(fā)展做出了貢獻。

纖維超聲鋪放

纖維鋪放是指大面積、雙曲面產(chǎn)品所選擇的鋪疊技術(shù)。目前可用的纖維鋪放設(shè)備采用了熱氣和激光燈等各種加熱系統(tǒng)。2008 年，福克航空結(jié)構(gòu)件公司開始尋求適合于纖維鋪放的設(shè)備。在需要大量投資的背景下，超聲波的出現(xiàn)成為相對低成本的加熱源的理想選擇。

?？撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司擁有豐富的超聲點焊經(jīng)驗，如將注塑成型的零件焊接到熱塑性板件上。而且，A380 飛機的固定機翼前緣蒙皮就是超聲點焊的（圖8）。超聲波焊接是一種很好的低成本焊接工藝。 123456

雖然過去的經(jīng)驗證明，連續(xù)超聲焊接板與板是困難的，但將一條薄的碳/ 單向帶超聲焊接到單向帶疊層上似乎是可行的。最后，超聲焊接單元被集成到安裝在機械手上的纖維鋪放頭上（圖9）。最初的嘗試是手工焊接1 條10mm 寬的碳/ 聚醚醚酮單向帶取得了成功，下一步是要在1 條線性軌道上焊接。2009 年年中，荷蘭航空專家鮑肯研制了1 個10mm 條寬的2m×1m×1m 三維纖維鋪放設(shè)備單元。單向帶熔化時略超過其寬度，足以附著在帶子上。隨著超聲纖維鋪放的發(fā)展，面臨的挑戰(zhàn)是如何成功地高速讓1 條帶子附著在位于其下的厚層板上，不因放慢過程而破壞效率。借助于纖維鋪放設(shè)備單元，一種新型的固定翼前緣的理念開始建立起來。



這個始于?？藘?nèi)部產(chǎn)品改進實踐的產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)，現(xiàn)在成為一個名為COALESCE（低成本高效率先進前緣結(jié)構(gòu)）的歐洲框架項目的一部分。新型前緣是一個多肋薄蒙皮設(shè)計。肋為平板預(yù)制件（圖10），在產(chǎn)品熔化（共固結(jié)）過程中對接到蒙皮上。蒙皮在一副陽模上用纖維鋪放而成。2 部分同時制造，接合處由1塊真空袋網(wǎng)膜板覆蓋，然后共固結(jié)。 123456

7m 扭力盒驗證件

雙曲面、7m 長的扭力盒是作為TAPAS 項目的一部分開發(fā)的，將于2011 年制造并驗證完畢。該產(chǎn)品是對灣流G650 平尾中段重新設(shè)計的產(chǎn)物（圖11），其蒙皮的特點是整體對接T 形加強筋。研究還在繼續(xù)，以便確定熱壓罐外成型是否可行。纖維鋪放因其在鋪疊過程中對材料的浪費最少而成為首選的鋪疊技術(shù)。蒙皮鋪疊將采用專業(yè)化的纖維鋪放設(shè)備單元。該設(shè)備單元將安裝GTech的Vericut 復(fù)合材料程序模塊，以便將CATIA 設(shè)計與機械手軟件鏈接起來。該設(shè)備單元只需少量投資即可開發(fā)，滿足成批量生產(chǎn)12m 全尺寸蒙皮壁板的需求（圖12）。






該設(shè)備典型地符合了當代以零件為核心的航空制造趨勢。該設(shè)備為相關(guān)尺寸和外形、鋪疊和速率的產(chǎn)品量身定做，在材料儲備方面所需投資最少。

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TAPAS 項目研究的其他技術(shù)包括創(chuàng)新肋和加強筋的壓力成型系統(tǒng)（由DTC 公司的荷蘭專家開發(fā)）、加強筋的焊接（由KVE 復(fù)合材料集團開發(fā)）。計算機分析取樣的結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)（由Technobis 纖維技術(shù)公司開發(fā)）也在研究之列，并將在扭力盒驗證件上得到驗證。與此同時，空客公司還將這些技術(shù)集成到一個機身結(jié)構(gòu)驗證件上。圖恩特和德爾福特理工大學正在開展建模技術(shù)和設(shè)計優(yōu)化領(lǐng)域的長期研究。

應(yīng)用與潛在發(fā)展

迄 今為止，已經(jīng)為（熱塑性復(fù)合材料的）應(yīng)用建立起了一個合理的商業(yè)模式。該模式將重量輕和低成本有機地結(jié)合起來。熱塑性大型主結(jié)構(gòu)件的商業(yè)模式也需要驗證。 與其他技術(shù)，如現(xiàn)代合金和最先進的熱固性材料的解決方案在成本和重量上的比較工作目前也在進行中。由于韌性好，熱塑性材料比熱固性復(fù)合材料能減重是肯定 的；其良好的防火、防煙、防毒性能也為其加分；通過采用對接和負擔得起的材料等簡單設(shè)計理念和高速加工等，可以持續(xù)降低成本。因此，熱塑性復(fù)合材料具有巨 大的發(fā)展?jié)摿?。例如，如果熱塑性?fù)合材料因其高韌性、低加工成本和良好的防火性能而被選作未來客機的機身結(jié)構(gòu)材料，其用量將是巨大的。 本文來自123



作者：Arnt Offringa
單位：福克航空結(jié)構(gòu)件公司