热塑性树脂基复合材料在民机上的应用研究

李明

【摘 要】热塑性树脂基复合材料以其独特的性能在工程应用领域受到青睐，它能为工程技术人员在严苛环境中的使用提供多种性能优势，同时能够有效降低生产与维护成本。本文介绍了热塑性树脂基复合材料的特点、在民用飞机上的应用以及相关成型工艺，并对其在国产民机上的应用进行了展望。

【关键词】热塑性树脂基复合材料；注塑成型；热压成型；自动铺放成型

0 引言

减轻重量、提高可靠性与耐久性、降低制造与维护成本、改善材料的环境友好性，是航空工业领域的追求目标，它不断推动纤维增强树脂基复合材料等尖端高性能材料的研发与生产。纤维增强树脂基复合材料一般指采用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等增强的树脂基复合材料，包括短纤维、长纤维和混合纤维，纤维增强物主要用于提供力学性能，树脂用于固定纤维增强物同时给予材料特殊的理化性能，按基体成分可分为热固性树脂基纤维增强复合材料和热塑性树脂基纤维增强复合材料，与金属材料相比具有较高的比强度、比刚度、良好的抗冲击性、优越的抗疲劳性能和耐腐蚀性。

复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。目前飞机上广泛使用的是热固性树脂基纤维增强复合材料，其常用的加工过程是将纤维增强热固性树脂预浸料送入热压罐加热加压成型。热固性树脂只能一次加热成型，加工过程中发生固化，形成不熔合不溶解的网状交联型高分子化合物，材料的制造和保存及热压罐成本非常高，此外热固性树脂基复合材料具有抗高温性能差、生产效率低、废料难以回收等缺点，以上问题也制约着热固性树脂基纤维增强复合材料在飞机上的应用发展[1]。

民用飞机上常用的热塑性树脂包括聚醚酰亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK），可以以多种形式存在，如短纤维增强树脂颗粒、预浸料、挤压预成型板等。热塑性树脂常温下为固体，是线性或带少量支链的聚合物，分子间无交联，成型加工过程中，树脂经加压受热即软化和流动，不发生化学反应，经冷却即可定型，在反复加热定型过程中，热塑性分子结构基本不发生变化，与热固性树脂基复合材料对比具有以下优点[2～3]：

1）热塑性树脂线性分子链的结构韧性及断裂伸长率远大于热固性树脂体型网状结构，具有较高的韧性、抗冲击性能和良好的抗裂纹扩展能力；

2）优异的抗湿热、耐溶剂、耐热、防火、低排烟和抗毒性能以及较低的孔隙率；

3）成型周期短，生产效率高，加热过程中仅仅发生加热变软和冷却变硬的物理变化，成型周期一般按分钟计，可有效降低制造和使用成本；

4）具有重塑性，制品可重复加工；

5）可实现结构减重，热塑性树脂基复合材料结构件间可以直接熔融焊接，从而节省了热固性复合材料使用钛合金紧固件的重量和成本，也保证了结构表面的齐平度；

6）加工性能好，可制成复杂形状，适用于自动化生产及其他热塑性工艺过程；

7）储存成本低，不必低温存放，可长期贮存。

正是因为热塑性树脂基复合材料在人工成本、生产效率、减重等各个方面的优势，在未来的几年，热塑性树脂基复合材料凭借其特有的优势取代金属和其它传统热固性树脂基复合材料的机会正在增加。

1 热塑性树脂基复合材料在民机上的应用现状

20世纪60年代以来，热塑性树脂基复合材料由于其优异的材料性能受到欧洲、美国、日本等国家的重视，尤其是近年来取得许多突破性进展，并在一些部件上成为热固性树脂基复合材料强有力的竞争对手，如表1所示。

欧洲空中客车和美国波音公司通过在相关机型上使用热塑性树脂基复合材料，取得了良好的减重和降低成本的效果，如空客A350XWB和波音B787飞机机身连接角片通过采用碳纤维/PPS热塑性复合材料进行加工制造，充分发挥了热塑性树脂基复合材料成型周期短、生产效率高、可循环利用等优势，有效降低了成本。而最具代表性的是空客A340和A380飞机上采用的J型机翼热塑性复合材料固定前缘，该零件由空客和福克公司共同研发，采用TenCate公司的玻璃纤维/PPS热塑性树脂基复合材料替代原金属和热固性复合材料的混杂结构，蒙皮与子肋、加强筋连接时采用焊接技术，从而省去了机械连接，大大减少了结构重量及装配周期，改善了损伤容限和可检测性，实现结构减重20%，试飞以来尚未发现机翼固定前缘出现任何故障。

湾流公司与福克公司积极合作发挥在热塑性树脂基复合材料技术上的优势，并结合荷兰KVE公司的焊接技术，成功将热塑性树脂基复合材料应用到G650飞机的方向舵和升降舵中，依据福克公司的报告该方案相对早期的其它设计获得了10%的减重和20%的制造成本减低。

空客公司、福克公司、TenCate公司、KVE公司、代尔夫特大学等八所从事热塑性复合材料研究的机构成立了TAPAS （Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structures）协会，开启了热塑性复合材料主结构件研究项目，为未来飞机研制提供一项成熟的可用于制造大型主承力结构的热塑性树脂基复合材料技术，主要包括：研发并认证合适的材料、对接和焊接、压力成型和纤维铺放等技术。

2 热塑性树脂基复合材料成型工艺

国外通过几十年的预研和试验验证，热塑性树脂基复合材料原材料的制造和成型技术已经相当成熟。国内热塑性树脂基复合材料原材料的生产在经过近些年的发展也积累了一些经验，制约该种材料应用的瓶颈问题也逐步得到解决，部分产品甚至已经达到商品化的水平并实现产业化。热塑性树脂基复合材料常用的制备技术包括：熔融预浸法、悬浮预浸法、粉末预浸法、纤维混杂法、原位聚合法、薄膜镶嵌法等。经过上述工艺可制备出原材料或预形件，通过进一步成型加工才能得到最终产品，热塑性树脂基复合材料的典型成型工艺介绍如下：

2.1 注塑成型

注塑成型是生产短纤维增强热塑性树脂基复合材料的主要方法，其基本工艺过程是先烘干纤维增强的热塑性颗粒，然后加热进料设备及模具，将热塑性颗粒加热融化后在一定的压力下将熔融物注入到模具中，经冷却固化后即得到成型品。该方法生产效率高、产品适应性强、制品尺寸精确，适用于非主承力部件的批量生产。

2.2 热压成型[4]

热压成型是长纤维增强热塑性树脂基复合材料在航空制件成型中的主要方法，一般用于制造非主承力薄壁结构件。按照所用设备不同可以分为：模压成型、组合模成型、冲压成型、隔膜成型、水压成型、橡胶模压成型、滚压成型等。其基本工艺过程是将单向或织物预浸料按设计裁剪后，依照预定的方向铺贴成需要的厚度，然后通过加热、加压将其固结后得到成型品。热压成型可以制备复杂形状的零件、尺寸控制好、机械加工少、生产效率高，但同时也受压机尺寸、模具成本等限制。

热压成型有三个关键因素：1）支撑框架：用于将铺贴好的预成型体送入热源，并在基体软化期间支撑预成型体，然后将其送入成型模具内；2）加热源：用于在短时间内将预成型体均匀加热到其工艺温度；3）热压机：可以迅速闭合并提供足够的压紧力以成型结构件。

2.3 热压罐成型

热压罐成型的原理是利用热压罐内部均匀的温度场和压力对热塑性复合材料进行加热加压，以达到成型的目的，其基本工艺过程包括：铺层铺放、真空压实、真空袋系统准备、控制加热与压力、在热压罐中固化。该方法压力均匀、制件尺寸稳定性好、可用来制造大型零件，但是成型周期长、生产成本高，在使用时还需要注意模具和热压罐的热惯性高、热塑性预浸料必须焊接到位等问题，目前仅适用于热压工艺难以成型的结构尺寸较大、厚度不均匀的部件，如A380飞机机翼固定前缘蒙皮。

2.4 自动铺放成型[4]

随着复合材料在飞机上应用结构件尺寸的不断增大，传统手工铺贴技术已不能满足大尺寸结构件研制的需要，为保证成型效率和产品质量，自动铺放技术应运而生。自动铺放技术是目前广泛发展和应用的自动化成型技术之一，是将热塑性复合材料预浸料设计剪裁、铺贴定位、压实等功能集合于一体，且具有工艺参数控制和质量检测的成型技术。其基本工艺过程是将预浸带或预浸丝由铺带头加热，并将其按照铺层顺序烫压在模具表面上，是热塑性复合材料低成本制造技术的一个重点研究方向。该技术适用于机翼、机身等飞机主承力结构的生产，生产效率高、制件质量好、铺放成本低、不需要真空压实、自动切割，但是设备的初始费用高且不适合外形复杂的零件。

2.5 纤维缠绕成型[5]

纤维缠绕成型基本工艺过程是在铺放过程中，用热气喷枪加热浸渍过热塑性树脂的连续纤维，并将其按照一定的规律缠绕到芯模上，然后经过固化、脱模获得相应结构件。缠绕过程中需要采用合适的浸渍方法、合理的加热以及匹配的缠绕速度，以防止树脂在缠绕过程中冷却凝固，导致层内和层间粘结不良，严重影响制品性能。该方法适用于大尺寸圆柱形零件，材料成本低、生产效率高，但是结构形状受限制、大直径零件树脂含量难以控制、自动化要求高。

3 结束语

热塑性树脂基复合材料以其独有的特性正受到航空领域的重视，随着设计分析能力、制造成型技术的不断进步与发展，国外越来越多的民用飞机成功的应用了热塑性树脂基复合材料，验证了其用于飞机结构件的可行性。

虽然我国在支线客机和中短程窄体客机研制中积累了一定的复合材料工程应用经验，但是所用复合材料基本还仅限于热固性树脂基复合材料。我国对热塑性树脂基复合材料的生产和开发研究较晚，目前国内产量较小、技术相对落后。因此，为了扩大热塑性树脂基复合材料的应用，发挥其优越性能，不仅要在结构设计与分析方法、制造工艺等方面进一步深入研究，还需加快国内自动化成型技术的研究步伐。我们有理由相信，热塑性树脂基复合材料在民机上的应用将会越来越广泛。

【参考文献】

[1]陈绍杰，申屠年.先进复合材料的近期发展趋势[J].高科技纤维与应用，2004，29（1）：1-7.

[2]Peter M. High performance thermoplastic[J] .Plastics engineering，2007，6：18-22.

[3]刘雄亚.纤维增强热塑性复合材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]牛春匀.实用飞机复合材料结构设计与制造[M].北京：航空工业出版社，2010.

[5]唐邦铭.热塑性预浸带缠绕工艺参数及加热方式对成型质量及内应力的影响[J].复合材料学报，1999，16（2）：21-28.

[责任编辑：张涛]