基于热压成型工艺的热塑性复合材料在民机上的应用

史晓辉

（上海飞机设计研究院，中国 上海 201210）

0 引言

热塑性复合材料因其优异的性能在民用航空领域日益受到青睐， 其发展速度已经超过了传统的热固性复合材料[1]，高性能热塑性复合材料与传统的热固性复合材料相比主要有以下优点：

（1）成型周期短，生产效率高。 热塑性复合材料的成型周期一般按分钟计， 而传统热固性复合材料则按小时计，可显著降低制造成本。

（2）较高的韧性、优良的抗蠕变能力、优秀的损伤容限性能以及良好的抗冲击性能， 抗裂纹扩展能力较好[2]。 因此，一些机体下部的舱门口盖都会选择热塑性复合材料结构，如福克50 的主起落架舱门等[3]。

（3）可反复加热成型，循环利用，被称为“绿色材料”。 热塑性复合材料在加热成型过程中仅仅发生物理变化， 不像传统热固性复合材料在固化时产生不可逆的化学反应，因此，制件可以通过再加热重新成型，利用该特性，在工件出现缺陷时，可以重新加热成形，从而降低废品率。

（4）可以实现产品减重。 针对热塑性树脂的特性，热塑性复合材料零件可通过局部加热熔融焊接连接在一起，无需紧固件，从而有效降低了整个结构的重量。

（5）储存成本低。热塑性复合材料的预浸料不必在低温下存放， 不必像传统热固性复合材料一样需要冷库储存，同时，也没有操作寿命限制，可以无限期储存和使用。

（6）良好的抗湿热性能。某些热塑性复合材料的长期使用温度可达 250 ℃以上，并且耐溶性极优，可在湿热环境下长期使用[2]。

（7）耐热、防火、低排烟和抗毒性能优良[4]。

正因为这些优异的性能， 使得热塑性复合材料在民机结构上有着巨大的应用潜力，自从上个世纪60 年代国外科研院所、 企业等在热塑性复合材料的应用方面投入了大量的研发力量。

欧 洲 于 2009 年 启 动 了 一 项 名 为 TAPAS（Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure） 的 热塑性复合材料研发项目[5]。 项目中包括了空客公司、荷兰福克航空结构公司、TenCate Composite 先进复材公司、Technobis 纤维技术公司、 荷兰热塑性复材公司（DTC）、KVE 复 材 集 团、 机 载 复 材 公 司、KE 工 厂 公 司、CODET 公司、荷兰国家航空实验室（NLR）、Delft 技术大学和Twente 大学等。 该项目的目标是研发出热塑性复合材料大尺寸飞机主结构， 项目已成功研制出了热塑性复合材料平尾盒段和机身壁板验证件（图1）。

法国Stelia 航宇公司启动了一项名为 “Arches Box TP”的研发项目（2015-2017），并在巴黎航展上展出了一个全尺寸热塑性机身验证件（图2）.

法国DAHER 集团也研制出基于热压成型工艺的热塑性复合材料肋（图3），与同级别的金属制件相比，造价相近，重量却轻了35%。

美国的SOLVAY 公司开发了一种重量更轻，但是却更加坚固的热塑性复合材料泡沫， 可用于制造泡沫夹层结构（图4）。

图1 TAPAS 项目热塑性复合材料机身壁板验证件

图2 Arches Box TP 项目机身壁板验证件

图3 热塑性复合材料肋

图4 热塑性复合材料泡沫夹层结构

热塑性复合材料结构适合多种成型工艺， 其中包括：热压成型工艺、注塑成型工艺、纤维缠绕工艺、自动铺带工艺、自动铺丝工艺、真空袋成型工艺等[6]。 其中热压成型工艺是目前应用最为成熟的一项技术，该项技术已经经过了波音、 空客等公司的认证， 并在多种型号成熟民机上应用。 本文主要总结了基于热压成型工艺的热塑性复合材料在当前民机结构上的应用情况， 并分析了该技术在国产大飞机上的应用潜力及需要重点进行研发的关键技术。

1 热塑性复合材料热压成型工艺

热塑性复合材料热压成型工艺目前已经发展成为一项成熟的热塑性复合材料零件制造加工技术， 并已经在多种型号的民机上成熟应用。

热压成型主要工艺过程是：

（1）将预先固结的板材按照零件的展开图进行下料；

（2）将切好的料片固定在专用的框架上并连同框架一起放入烘箱进行加热使料片软化；

（3）快速将软化的料片连同框架转移至加热的模具上，合模，并保持一定的温度和压力；

（4）制件冷却，机加至净尺寸。

以机身角片为例， 其整个热压成型的工艺过程如图5 所示。

图5 热塑性复合材料热压成型工艺过程示意图

整个热压成型的过程约10 ～20 分钟， 与传统热压罐成型工艺（约2 小时）相比，具有明显的优势。 该工艺可以利用机器人手臂等设备实现自动化生产， 极大地提高生产效率。 该工艺非常适合应用在民用飞机中尺寸较小、数量巨大、形式简单的结构中，如机身连接框与蒙皮的机身角片以及活动面和操纵面的肋等。

目前欧美多家材料供应商已经研制出成熟的热塑性复合材料预固化板材，如荷兰的TenCate Composite 先进复材公司， 其研制的PPS 体系的热塑性复合材料已应用到空客的多种机型上。 机体结构制造商将结构的铺层反馈给材料供应商， 由材料供应商提供相应铺层的预固化板材。 制造商将板材进行相应的机加和热压， 即可得到所设计的零件。 在制件过程中无需进行铺贴操作，节省了大量的人力和时间成本。

2 基于热压成型工艺的热塑性复合材料应用现状

自20 世纪60 年代以来， 高性能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， 并取得许多突破性进展。 特别是基于热压成型工艺的热塑性复合材料结构已被波音、 空客、 福克等公司成功应用到机身、整流罩、升降舵、方向舵等结构上，取得了良好的减重和降低成本的效果。

空客公司A340-500/600 飞机的机翼前缘结构大量使用了热塑性复合材料， 其中固定前缘内部的热塑性复合材料肋均采用热压成型工艺（图6），选用的材料为玻纤织物增强的PPS 热塑性复合材料 （ 由TenCate Composite 公司提供）。 该种工艺也应用到了后续的A380飞机固定前缘结构上。 通过将铝合金制造的固定前缘更改为热塑性复合材料结构，实现结构减重20%[7]。

图6 空客A340-500/600 飞机机翼固定前缘肋

A350XWB 飞机的机身角片（图7）也全部采用热塑性复合材料通过热压成型工艺进行制造。 空客A350XWB 机身连接角片数量共有约5000 到6000 个， 涉及到400 到500 种类型，通过采用碳纤维织物增强的PPS 热塑性复合材料进行热压制造， 充分发挥了热塑性复合材料热压成型周期短，生产效率高，可循环利用等优势，降低了成本。

图7 空客A350XWB 飞机机身角片结构

湾流公司的新型G650 飞机方向舵和升降舵肋也均采用热塑性复合材料热压成型进行制造， 热压成型的肋与热塑性复合材料蒙皮和梁通过感应焊接技术 （KVE 公司研发）进行连接装配，并获得了JEC2010 创新奖（图8）。

图8 湾流G65 0 飞机方向舵

巴西航空工业公司的飞鸿 （Phenom）100 喷气式公务机水平尾翼肋也采用由TenCate Composite 公司提供的碳纤维织物增强PPS 热塑性复合材料通过热压成型工艺制造（图9）。

基于热压成型工艺的热塑性复合材料还大量的应用在了民机的副翼肋结构上（图10）。

基于热压成型的热塑性复合材料已经非常成熟地应用在民机上的次承力结构件上， 发挥了其在成型周期、成本、重量等方面的优势。

图9 Phenom 100 热塑性复合材料水平尾翼肋

图10 热塑性复合材料副翼肋及其模具[8]

3 基于热压成型工艺的热塑性复合材料在国产客机上的应用前景

国产客机结构复合材料用量正在提高，热塑性复合材料作为一种先进的高性能复合材料， 在国产客机上的应用前景广阔， 通过先进热塑性复合材料的应用可以起到降低成本，提高生产率，同时以产业带动国内科研院所对热塑性复合材料的研发，缩小与国外的技术差距。 国内基于热压成型的热塑性复合材料民机结构应用方面， 需要重点进行攻关研发的关键技术主要集中在以下几点：

（1）原材料制备与验证

经过多年的研制，国外热塑性复合材料预浸料的制备技术已经成熟，并在多种机型上得到了应用。 但是预浸料的研制技术一直受到国外的严格限制，国内虽然已经在原材料的研制方面积累了一些经验，攻克了一些制约技术，但是材料的稳定性一直都是国产材料商品化并最终实现民机结构应用需要解决的一大问题。

此外， 热塑性复合材料的性能数据国内积累还比较少， 目前还没有可以用于民机结构的经过适航验证的材料规范。

（2）热压成型设备

在热压成型热塑性复合材料的成型设备方面，国外已经研制了成熟的设备， 如上文提到的热压成型生产线， 并成功地投入到了商业应用中， 而国内还没有类似的国产设备。 国内科研院所也只能通过采购国外的成熟设备用于相关的研发工作。

（3）热压成型工艺

热塑性复合材料热压成型工艺包括： 热压成型方案、 热压成型过程工艺参数控制、 热压成型模具设计等方面。 实际生产中如何严格控制热压过程中模压温度、压力及保压时间等成型工艺参数是保证制品质量的关键因素，此外，不同结构的模具设计也对最终制件的质量有重要影响。 因此，需要从试片级工艺试验开始，经过细节件级工艺试验到典型件级工艺试验，对热塑性复合材料的成型工艺及典型结构的制造工艺进行研究，确定热压成型工艺参数（热压的温度范围、压力范围、模具温度、料片从加热炉转移至模具时间等）， 建立热塑性复合材料的热压工艺规范，提高工艺稳定性。

（4）热塑性复合材料设计及分析技术

热塑性复合材料的破坏行为与热固性复合材料相比有很大的不同， 热塑性基体比热固性基体具有更好的延展性和韧性， 其损伤的起始和破坏以及最终的破坏形式都表现出不同的特点。 另外， 针对热塑性复合材料的分析验证技术， 由于热塑性复合材料的非线性及大变形特征， 传统的针对热固性复合材料的试验标准对于热塑性复合材料的适用性也需要进行验证。

只有在上述材料、工艺、设计与分析等几个方面有所突破，才能使热塑性复合材料在国内民机结构上的应用成为可能，从而发挥热塑性复合材料的优越性能。

4 结语

基于热压成型的热塑性复合材料是新型材料在民机结构应用上的一个趋势， 本文总结了目前国外热压成型热塑性复合材料在民机领域内的应用情况， 同时， 分析了目前国内需要在该领域内进行重点研发攻关的几个重点关键技术，只有在材料、工艺、设计与分析等方面加大研发力度， 通过产学研相结合， 尽快完成可用于民机结构的相关材料规范和工艺规范的编写与验证， 才能促进热塑性复合材料在民机结构上的应用，提高国产民机的先进性。