热塑性复合材料在飞机上的应用

热塑性复合材料在飞机上的应用

张磊杨卫平张丽

（中航工业一飞院，西安）

Ｔhe applications of Thermoplastic matrix Composite on aircraft

摘要：阐述了热固性复合材料的缺点，分析了热塑性复合材料的优势，并介绍了其在国内、外军用飞机和民用飞机上的应用情况，指出了国内外的差距，最后对国内纤维增强热塑性复合材料的发展提出了建议。

Abstract: In this study we analyzed the disadvantage of thermosetting matrix composites, the advantage of thermoplastic matrix composites and introduced the applications of thermoplastic matrix composites on aircraft. In addition we pointed out the gap and summarized the research orientation of thermoplastic matrix composites.

关键词：热塑性、热固性、聚醚醚酮、聚苯硫醚、抗冲击性

Keywords: Thermoplastic、Thermosetting、PEEK、PPS、impact resistance

复合材料按树脂类型可分为热固性复合材料和热塑性复合材料。目前国内外飞机上，大量使用的复合材料为热固性复合材料，包括机翼、机身等主要承力构件。但是热固性复合材料通常采用热压罐生产工艺，成型时间长，而且在材料运输、存储、工艺准备、实施等方面要求都比较严格，因此生产成本比较高。另外热固性复合材料对冲击比较敏感，设计和使用时要重点考虑冲击对结构性能的影响。而热塑性复合材料在这些方面都有一定优势，所以近年来其逐步受到重视[1]。

1 热塑性复合材料的优点

与热固性复合材料相比，热塑性复合材料主要有以下优点[2～5]：

（1）韧性、损伤容限性能、抗冲击，抗裂纹扩展等性能较好。由于热塑性树脂分子链的运动能力比热固性树脂强得多，因此热塑性树脂的韧性普遍要高很多，有利于改善复合材料的抗冲击损伤能力。以碳纤维/聚醚醚酮(PEEK)树脂复合材料为例，其压缩后冲击强度（CAI）值高达342 MPa，与第一代环氧复合材料170 MPa，增韧环氧复合材料250 MPa的平均水平相比，优势明显；

（2）成型周期短，生产效率高，节约成本。热固性复合材料主要的成型方法是预浸料/热压罐工艺，热压罐固化消耗大量的能源和时间，增加制造成本，而热塑性复合材料的成型过程仅仅发生加热变软和冷却变硬的物理变化，只需升温、加压成型、冷却即可完成制备过程，可采用热压成型工艺，故成型周期短、生产效率高、成本低。另外，热塑性复合材料在材料运输、存储、工艺准备、实施等比热固性复合材料要求低，因此生产成本更低。两种材料生产制造对比见下表1；

表1 热固性和热塑性复合材料对比

属性热固性复合材料热塑性复合材料

材料运输材料低温运输，并需要温度监控材料普通运输

材料存储1、低温存储，-18℃以下存储；

2、材料力学性能寿命，一般12个月；

3、工艺性能寿命，一般240小时；

1、室温存储，一般库房即可；

2、材料力学性能寿命无要求；

3、工艺实施无特殊要求；

工艺准备1、材料回暖处理；

2、预浸料需要衬纸保护；

3、材料准备需在净化间内完成；

1、材料无需回暖处理；

2、预浸料或板材无需保护；

3、材料准备在一般环境；

材料切割1、预浸料剪裁自动下料机；

2、边角余料不可利用

1、预浸料CNC，板材水切割；

2、材料可以回收利用；

工艺实施1、手工或自动铺叠；

2、真空加热固化，制造节拍8小时；

1、板材热压成型；

2、无辅助材料，制造节拍5分钟

后续处理1、裁真空袋、工装清理；

2、表面有需打磨处理

1、脱模及完成零件制造；

2、表面质量完好，无需打磨；

（3）实现结构减重。热固性复合材料的密度为1.7～2.0g/cm3，而热塑性复合材料的密度为1.1～1.6g/cm3，密度较热固性复合材料小，因此，采用热塑性复合材料具有一定的减重优势；

（4）具有重塑性，可以循环利用，提高零件的修理性，降低报废率，废料也可回收。热塑性复合材料在成形过程中是一个简单的相变过程(即熔融和凝胶)，可二次加工；

（5）良好的耐热性能。以环氧树脂为代表的热固性复合材料长期使用温度最高可达130℃，而某些热塑性复合材料的长期使用温度可达250℃以上，并且耐水性极优，可在湿热环境下长期使用。例如：PEEK树脂的耐热性达220℃，用30%碳纤增强后，使用温度可提高到310℃，可用于某些特殊环境。

因此，热塑性复合材料在飞机结构中的应用，可以缩短零件的制造周期，提高其结构的抗冲击性能，减轻结构的重量，减少飞机的生产和使用成本。

2 国内外飞机应用情况

自20世纪60年代以来，高性能连续纤维增强热塑性复合材料就受到欧美日等发达国家的重视。但长期以来，制约热塑性复合材料在民机上应用的主要原因有以下两个：（1）预浸料制造困难，材料成本高；（2）制件制造成型需要高温高压，对设备和辅料要求高。从20世纪80 年代开始，以美国为主导的西方国家进行了一系列旨在提高热塑性复材预浸料的制造水平、降低制件制造成本的研究计划，并最终取得大量的研究成果，为高性能热塑性复合材料在民机上的应用推广奠定了基础。英国帝国化学公司、德国巴斯夫公司、美国杜邦公司等开发了多类热塑性树脂，经波音、空客、洛克希德、福克等制备成飞机蒙皮、整流罩、升降舵等制件并且进行了飞行试验, 证明了热塑性复合材料不仅强度、刚度满足要求, 而且具有更好的韧性和损伤容限性能[6]。目前常用的先进热塑性树脂主要有: 聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)等。

2.1 国外飞机应用情况

热塑性复合材料（TPC）在飞机应用上的巨大潜质，其在国外飞机上的应用如下[7～13]：

（1）机翼前缘

A340-500/600机翼前缘的J字型结构件，它代替原来由5段铝件组成的D型构件，由长度2.5m和3.2m两段组成，是福克特殊飞机公司制造的，采用荷兰TenCate Composite公司的Cetex玻璃纤维/聚苯硫醚（PPS）薄膜"半预浸料"经过预先压实成板（每块板由5层预浸料组成），然后模压成肋及加强件。层合板的尺寸为1.2m×3.6m。玻璃纤维与PPS之间用一种专利化合物粘结。玻璃纤维/PPS材料放入热压罐内，在300℃以上高温固结。自A340-600用于验证航线飞行的首次试飞以来，尚未发现新的机翼前缘出现任何故障。这是热塑性复合材料在民机上首次大规模应用。

A380的机翼前缘也采用热塑性复合材料，如下图1所示，采用了多肋设计理念和用TenCate 公司的玻璃纤维/聚苯硫醚（PPS）制成，相应的选材及加工方式与A340-600类似。

图1 A380机翼固定前缘

Fig.1 Leading edge of A380

(2)舵面结构