轻量化需求创新热塑性复合材料角色

过去十年，复合材料的持续火热，让传统的塑料悄然踏入民用、商用和军用飞行器领域。新一代飞机数年内就要飞上蓝天，热塑性复合材料将伴随其中。

 

像丙烯腈二乙烯丁二烯（ABS）、聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPS）这样的塑料目前正广泛用于航空制造。聚醚酰亚胺是航空工业中的另一款明星材料，因为用它生产的零件可以满足美国联邦航空管理局（FAA）严格的火焰、烟雾和毒性（FST）要求。聚醚醚酮（PEKK）是一种先进的高温工程聚合物，拥有良好的力学性能、耐化学腐蚀性、热稳定性和阻燃性。新牌号PEKK，如HT-23，其高强度和轻质使其成为有竞争力的铝替代品。

 

塑料相比铝和其他传统航空材料拥有许多优势，如轻质、高强和高耐久性。像PEEK这样的耐热、无腐蚀性塑料可以代替金属紧固件和螺钉，不需要对现有零件的整个设计进行任何更改，可以直接替代OME组件。托架、衬垫、导向装置、密封装置、间隔装置和垫圈是轻质航空组件，耐热塑料可以超越金属，提供热和机械稳定性、绝热性能、零可燃性、真空中的低气体释放，以及耐燃油和其它化学品腐蚀。

 

 

飞机结构 旧塑料的新角色

 

尽管传统塑料已经使用了几十年，航空工程师还在寻找其新角色。

 

航空零件生产商工程塑料产品公司（EPP）总裁阿力克斯·柯蒂斯表示：“每年，越来越多拥有独特性能的塑料正被创造出来，并且正在替代金属材料，这些特性特别适合特定的用途。塑料通常因其高强质比和多种现代化合物的天然抗腐蚀性而成为首选。由于飞行器和航空组件通常是小批量生产，绝大多数塑料零件似乎不适合用模塑法，而是从基础外形加工而来。另一个优势是许多塑料材料是自润滑的，无需加入动物油和石油基的润滑油，它们会导致着火或爆炸危害。”阿力克斯·柯蒂斯表示：“最近塑料技术有所提高，推动了航空产品中的承载、扭矩控制和齿轮传动能力极限的提升。拥有超级热、化学和辐射抗性的优质牌号，让塑料在航空工业中扮演越来越重要的角色。

 

密歇根技术大学机械工程和材料科学教授乔治·奥加德表示：“航空工业中聚合物的使用正在增加，特别是飞行器。过去铝是主要材料，因为其重量和成本相对低，并且耐腐蚀和耐疲劳。不过，在近20年来，聚合物材料慢慢替代了铝，特别是飞行器的结构上。这一增长出现在所有领域，包括小型军用和大型商业飞行器。目前还有巨大的兴趣增加航天飞机的复合材料用量。比如，NASA刚投资1500万美元，为深空载人任务开发下一代复合材料。”

 

尽管有许多优势，一些航空工程师仍不情愿转换到塑料上来。乔治·奥加德表示：“聚合物复合材料壁板比铝壁板更难制造，也就更昂贵。而且，工程师们与铝打了数十年交到，拥有海量的知识和信心。聚合物复合材料更新，而且我们仍在努力掌握它们在许多条件下的行为。比如，我们还不完全掌握聚合物复合材料如何响应长期老化。所有聚合物都会在自然条件下老化，聚合物分子结构会发生非常缓慢的催化，可能许多年才发生。聚合物还会因为暴露在潮湿、紫外辐射和高温环境下而加速老化。我们仍需更多地了解这些老化机理及其对复合材料机械完整性的影响。”

 

乔治·奥加德表示：“铝制机身的一个重要优势就是缓解闪电击中带来的损伤。铝导电性好，这意味着电流可以很容易穿过飞机。不过，聚合物复合材料的导电性就相对要低。因此，必须在波音787的机身上增加一层额外的铜网，以耗散闪电的电流。”

 

       热塑性替代热固性 重新思考复合材料

 

       航空工业当今最大的一个趋势就是，越来越多的使用热塑性复合材料替代热固性复合材料，而传统上是用后者来制造复合材料零件。由于热塑性复合材料可以被融化，固化就不那么关键。热塑性复合材料也没有热固性复合材料那么脆弱，可以用多种方式焊接。使用热塑性复合材料制造大型整体组件可以不需要胶接，装配的机械接头不那么复杂，热塑性零件装配也不需要垫片。

 

       Victrex公司高级技术经理斯图亚特·格林表示：“最近几年，许多传统的金属航空结构都被叠层的先进碳纤维增强热固性聚合物复合材料代替，以求减重、提升燃油效率，最终降低运营成本。当前，对使用热塑性碳纤维复合材料的兴趣越来越大，比如那些基于PEEK的材料，以提高制造生产率并满足飞行器对提速生产的迫切需求。”

 

       Victrex最近与Tri-Mack塑料制造公司组建了合资企业TxV航空复合材料公司，加速聚芳醚酮（PAEK）复合材料在航空工业中的商业应用。新公司提供的复合材料组件和组装件，可以比常规金属设计减重达60%。公司宣称热塑性复合材料的制造工艺和时间以分钟计算，而它所替代的热固性复合材料则以小时计算。

 

       Tri-Mack塑料总裁威尔·凯恩表示：“未来20年估计会需要35000架新飞机，而航空工业正将热塑性复合材料视作一个可支撑如此增长率的高成本效率解决方案。PAEK热塑性复合材料的高效加工和性能优势，加上先进的自动化制造技术，将使我们满足工业界的成本和重量挑战。商用飞机使用数千个托架和系统连接附件，飞机上这些组件的总数量是可观的成本和重量，尤其是它们由金属或热固性复合材料制造。PAEK基组件可以比常规热固性复合材料更高效地制造。比起不锈钢和钛，它们可以显著减重，同时提供同等或更好的力学性能，如强度、刚度和疲劳性能。”

 

       GKN航空旗下福克公司是热塑性复合材料的开拓者。公司的工程师最近使用该技术生产空客A380飞机的机翼前缘、里奥纳多AW169直升机的水平尾段，达索和湾流新型公务机的方向舵和升降舵。GKN制造了湾流G650公务机的完整平尾，包括热塑性方向舵和升降舵，组件比传统材料减重25%。组件由感应焊连接，取消了昂贵的钻孔和铆接工作。

 

       福克公司采购和供应链管理副总裁Toine Verbruggen表示：“降本是通过使用快速、自动化的热塑性复合材料加工实现的。同时，重量通过设计薄壁结构保持低重量，该结构因热塑性聚合物的性质而极为坚韧。未来，更多主承力结构零件将由这种创新材料制成，在未来航空项目中扮演重要角色。”

 

       法国大合公司最近与波音签署了一项合同，为787飞机提供热塑性复合材料结构零件。这些组件将代替原本使用传统热固性复合材料制造的零件。大合航空航天与防务业务高级副总裁Nicolas Orance表示：“热塑性复合材料技术在未来很有前途，可降低航空工业制造航空结构的成本。”公司计划使用自动化和机器人来优化法国南特工厂的制造工艺。

 

 

 

       打印塑料 复合材料的增材制造

 

       增材制造也在改变塑料在航空工业中的使用。比如，Victrex已经开发了新型PAEK牌号，可用于打印外形和尺寸复杂的飞行器组件。Victrex美国公司新兴业务总监罗伯特·马基表示：“工程师想要同样的材料、同样的性能，可用于注塑成形和其他更成熟的制造方法。他们想要启动PEEK的3D打印生产，再无缝转移到注塑成形，或者拿一个注塑成形的零件并用3D打印定制。在航空工业中，工程师想要能在所需环境中存活的聚合物，可能是一系列温度和腐蚀化学品。他们还想要已经服役多年经证明的材料。”

 

       法国Latecoere公司是飞行器舱门、机身和布线线束的供应商，其工程师正使用熔融沉积成形来生产可代替金属组件的塑料零件。公司研发和创新中心复合材料与增材制造经理西蒙·里奥表示：“采用该技术对设计和制造来说都是转型。增材制造已经无缝集成到我们的设计和生产流程中，我们已经享受到减少的生产准备时间、降低的成本和增强的运营效率。”

 

       西蒙·里奥表示：“我们最近生产了一个3D打印的样件，以验证飞行器舱门内饰衬板的配合和功能。之前，这要用钣金件并通常很费时的工艺。而我们在2天就生产了一个具备完全功能的样件，减少了95%的生产准备时间。”此外，Rieu及其同事还为空客生产了可以上天的聚醚酰亚胺零件，比如摄像头外壳和空气管外壳组件，比金属的轻一半。

 

       增材制造技术还让某些航空公司可以创造定制设计的塑料零件，用于飞行器座舱。比如，阿联酋航空最近使用选区激光烧结技术生产了视频监视器罩和座舱通风口网格护栏。零件用3D系统公司的Dureform ProX FR1200尼龙聚合物打印。公司工程保障服务高级副总裁Ahmed Safa表示：“该技术有潜力降低座舱零件重量，而不会破坏结构完整性或外观。使用3D打印还将带来许多好处，包括数千飞行器座舱内饰组件的更高效的库存管理。”