樹(shù)脂基復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕等一系列性能優(yōu)勢(shì)，逐漸發(fā)展成為航空結(jié)構(gòu)不可或缺的材料體系。按照基體樹(shù)脂的種類，可以將樹(shù)脂基復(fù)合材料分為熱固性和熱塑性兩大類。由于熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料制備及成型加工困難大，限制了其在飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。以往針對(duì)熱固性復(fù)合材料的研究較多，應(yīng)用也較為成熟。然而熱固性復(fù)合材料的韌性不足，受低速?zèng)_擊載荷存在敏感的分層問(wèn)題，限制了其在航空結(jié)構(gòu)上的進(jìn)一步應(yīng)用。 熱塑性樹(shù)脂由于本身的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)賦予其高韌性，使其復(fù)合材料相對(duì)傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料具有更為優(yōu)異的性能，以及廣闊的應(yīng)用前景。

除性能要求外，國(guó)內(nèi)外對(duì)于航空業(yè)的環(huán)保性提出了更高的要求，歐盟據(jù)此提出了針對(duì)性的大型科研計(jì)劃——“清潔天空（Clean Sky）”計(jì)劃，目的在于通過(guò)降低能耗和噪聲污染，減小航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響。由于熱塑性復(fù)合材料的成型過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此具有可回收再利用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在提升性能的同時(shí)，對(duì)環(huán)境友好。同時(shí)，其預(yù)浸料可在常溫下無(wú)限期儲(chǔ)存，成型效率高，能夠有效降低制造成本。 由于以上優(yōu)勢(shì)，熱塑性復(fù)合材料已在大型民航飛機(jī)、直升機(jī)等航空領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。如空客 A350 飛機(jī)機(jī)身卡箍采用 TenCate 公司的碳纖維織物增強(qiáng) PPS熱塑性復(fù)合材料制造，如圖 1 所示；空客 H–160 直升機(jī)采用碳纖維增強(qiáng) PEEK 熱塑性復(fù)合材料代替原鈦合金材料制造旋翼槳轂中央件，在降低制造成本、減輕重量的同時(shí)，提高了結(jié)構(gòu)損傷容限及可維護(hù)性，標(biāo)志著熱塑性復(fù)合材料在直升機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的成功應(yīng)用，如圖 2所示。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，熱塑性復(fù)合材料雖無(wú)法滿足渦輪盤等熱端部件的使用要求，但在發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件及短艙結(jié)構(gòu)上具有廣闊的應(yīng)用空間。目前，國(guó)外廠商已經(jīng)在吊掛、進(jìn)氣道降噪聲襯等部位使用大量熱塑性復(fù)合材料，并有 GKN 航空?？斯镜膶＜艺J(rèn)為在風(fēng)扇罩上可以借鑒飛機(jī)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用熱塑性復(fù)合材料，如圖 3 所示。

圖3 熱塑性復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙上的應(yīng)用

高性能熱塑性復(fù)合材料及其成型工藝

目前航空結(jié)構(gòu)中使用的復(fù)合材料絕大多數(shù)采用環(huán)氧、雙馬、聚酰亞胺等熱固性樹(shù)脂作為基體。與熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料具有下列優(yōu)勢(shì)：

（1）經(jīng)合理優(yōu)化凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的熱塑性基體具有較高的基體韌性，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料耐疲勞性能好，沖擊損傷阻抗和損傷容限都比熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料高。

（2）孔隙率低，吸濕率低，耐環(huán)境性能好。

（3）成型過(guò)程為熔融 – 固結(jié)的物理過(guò)程，沒(méi)有固化反應(yīng)，因此可重復(fù)成型和焊接成型，成型周期短、效率高、可修補(bǔ)。

（4）熱塑性預(yù)浸料可以室溫儲(chǔ)存，且有近乎無(wú)限的儲(chǔ)存期。

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累，國(guó)外已逐步建立起熱塑性復(fù)合材料完整的技術(shù)體系，主要供應(yīng)商包括荷蘭的TenCate、美國(guó)的 Cytec 等公司，近年來(lái)，德國(guó) Evonik 公司以及日本 Teijin 公司也陸續(xù)開(kāi)發(fā)了熱塑性復(fù)合材料體系。國(guó)外熱塑性復(fù)合材料制造商主要提供的熱塑性復(fù)合材料有碳纖維、玻璃纖維及芳綸纖維增強(qiáng)的聚醚酰亞胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）等高性能熱塑性樹(shù)脂。這其中以荷蘭TenCate 公司的材料體系及應(yīng)用技術(shù)體系最為完整。

表 1 列舉了國(guó)外著名制造商商品化的熱塑性預(yù)浸料牌號(hào)，已形成不同種類、不同耐溫等級(jí)的材料體系，并在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、商用大飛機(jī)、直升機(jī)，以及無(wú)人機(jī)等各類航空結(jié)構(gòu)上均取得廣泛應(yīng)用。

表1 國(guó)外商品化的熱塑性預(yù)浸料牌號(hào)

除完善的材料體系外，國(guó)外在熱塑性復(fù)合材料的成型工藝方面也已發(fā)展了包括模壓成型、熱壓罐成型、隔膜成型、沖壓成型以及自動(dòng)鋪放成型（Automated Fiber Placement, AFP）等多種成型工藝技術(shù)。

其中，AFP 技術(shù)目前已成為熱塑性復(fù)合材料低成本快速成型工藝技術(shù)的代表。由于熱塑性復(fù)合材料的成型是一個(gè)先熔化再凝固的物理變化過(guò)程，采用 AFP 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)浸料加熱融化、自動(dòng)鋪放、原位固化的同步工藝過(guò)程實(shí)施，從而極大地提高了成型效率、降低了能耗，降低了復(fù)合材料的制造成本，AFP 成型過(guò)程如圖 4所示。

對(duì)于大尺寸制件，采用 AFP 技術(shù)避免了固化時(shí)由于使用熱壓罐對(duì)于制件尺寸的限制，以及模具熱膨脹系數(shù)不匹配的問(wèn)題。此外，利用單向帶短切纖維模壓成型也為復(fù)合材料工程應(yīng)用提供了另一種低成本高性能的思路，特別用以替代現(xiàn)有鋁合金結(jié)構(gòu)方案時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，如圖 5 所示，為 TenCate 眼鏡蛇復(fù)合材料結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)（CobraComposite Structures，CCS）采用熱塑性團(tuán)狀模塑料（Bulk Molding Compound）通過(guò)模壓工藝成型制件過(guò)程。

國(guó)內(nèi)高性能熱塑性復(fù)合材料研究開(kāi)始于“七五”計(jì)劃期間，最早由吉林大學(xué)開(kāi)展國(guó)產(chǎn) PEEK 研制，“八五”至“十五”期間陸續(xù)與北京航空材料研究院合作開(kāi)展了淤漿法、靜電粉末法等預(yù)浸料制備及復(fù)合材料制造技術(shù)研究，完成了以某型固定翼運(yùn)輸機(jī)為型號(hào)背景的加筋口蓋及加筋壁板類結(jié)構(gòu)的制造工藝驗(yàn)證及裝機(jī)驗(yàn)證考核。但后期受樹(shù)脂穩(wěn)定性、預(yù)浸料制造工藝等限制，國(guó)產(chǎn)高性能熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用研究幾乎停滯不前。

近來(lái)，東華大學(xué)先進(jìn)低維材料中心熱塑性復(fù)合材料科研團(tuán)隊(duì)（原吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)），在近 20 年的 PEEK、PAEK 樹(shù)脂合成及改性工作基礎(chǔ)上，開(kāi)展了連續(xù)纖維增強(qiáng) PEEK 預(yù)浸料及其復(fù)合材料的研究工作。其中，所研制的樹(shù)脂基體（LP–PEEK 和 CO–PEEK）與國(guó)外熱塑性復(fù)合材料用專用樹(shù)脂基體相比，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高約10℃，但完全熔融溫度降低約 40℃，即可在較低成型溫度下，獲得性能更優(yōu)的熱塑性復(fù)合材料，如表 2 所示。

表2 熱塑性預(yù)浸料用PEEK性能對(duì)比

同時(shí)，采用東華大學(xué)先進(jìn)低維材料中心熱塑性復(fù)合材料科研團(tuán)隊(duì)（原吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)）自主研發(fā)的熱熔預(yù)浸料設(shè)備，研制了連續(xù)碳纖維增強(qiáng) PEEK 窄帶預(yù)浸料（幅寬 100mm），如圖 6 所示，并采用熱壓成型工藝制備了復(fù)合材料層合板，經(jīng)超聲波 A 掃描無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果顯示層板內(nèi)部質(zhì)量完好，如圖 7 所示。

圖7 國(guó)產(chǎn)預(yù)浸料模壓工藝成型連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料層板

此外，針對(duì)熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)化成型工藝，東華大學(xué)與南京航空航天大學(xué)合作開(kāi)展了基于熱塑性預(yù)浸料的自動(dòng)鋪絲工藝驗(yàn)證，結(jié)果表明預(yù)浸料樹(shù)脂的低熔融溫度特性，降低了成型工藝溫度，基本滿足了自動(dòng)鋪絲工藝性要求，如圖 8 所示。

復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙上的應(yīng)用

由于民機(jī)噪聲指標(biāo)已成為適航取證的強(qiáng)制性指標(biāo)，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，在研究發(fā)動(dòng)機(jī)降噪技術(shù)的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)的降噪技術(shù)也在不斷發(fā)展，消音襯墊技術(shù)是其中一種主要技術(shù)方案。該結(jié)構(gòu)為具有消聲功能性的復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，TenCate 公司開(kāi)發(fā)的CF/PEI 熱塑性復(fù)合材料層板，作為發(fā)動(dòng)機(jī)短艙進(jìn)氣道降噪聲襯蜂窩結(jié)構(gòu)面板，已在空客 A380 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，如圖 9 所示。

為保證飛機(jī)降落時(shí)迅速減速，縮短制動(dòng)距離，減小制動(dòng)器的磨損，發(fā)動(dòng)機(jī)上均采用反推力裝置。反推力裝置開(kāi)啟時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道氣流流動(dòng)方向發(fā)生大于 90° 的折轉(zhuǎn)，從而在與正常推力相反的方向上產(chǎn)生推力分量，達(dá)到使飛機(jī)減速的目的。反推力裝置所處的工作環(huán)境，對(duì)于材料的短時(shí)耐高溫性能提出了較高的要求，以 PEEK、PEKK 為基體的高性能熱塑性復(fù)合材料有望成為反推力裝置選材的備選方案。風(fēng)扇罩是位于發(fā)動(dòng)機(jī)短艙中部的整流罩，與飛機(jī)結(jié)構(gòu)類似，或成為短艙研制方開(kāi)展熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用的首選部件。

熱塑性復(fù)合材料的另一個(gè)重點(diǎn)應(yīng)用部位是發(fā)動(dòng)機(jī)短艙吊掛，如圖 10 所示。A340 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙吊掛表面由 12 類、共 22 件蒙皮結(jié)構(gòu)覆蓋，均采用 CF/PPS 材料制造。結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度 700~1400mm，寬度 200~400mm，厚度2.8mm，具有復(fù)雜雙曲率外形，表面鋪設(shè)有防雷擊銅網(wǎng)表面，如圖 11 所示。

圖10 空客A340飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙吊架

由法國(guó) Daher 公司承制的空客 A380 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙吊架蒙皮如圖 12 所示。該結(jié)構(gòu)是 A380 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上 50 塊短艙吊架蒙皮之一，采用 TenCate Cetex TC1100 CF/PPS 材料制造。該材料除具有優(yōu)異的韌性和耐腐蝕性之外，還具有自熄阻燃性，可采用沖壓工藝成型，從而極大提高了成型效率。圖 13 為位于法國(guó)圖盧茲的空客總裝廠在對(duì) A380 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊架進(jìn)行總裝前的最后測(cè)試。

目前，荷蘭針對(duì)熱塑性復(fù)合材料的大型科研項(xiàng)目——“熱塑性經(jīng)濟(jì)可承受性航空主結(jié)構(gòu)”第 2 階段項(xiàng)目（Thermoplastic Affffordable Primary Aircraft Structures 2, TAPAS 2）業(yè)已啟動(dòng)，目標(biāo)是進(jìn)一步提高主結(jié)構(gòu)材料、制造工藝、設(shè)計(jì)概念和模具設(shè)備的技術(shù)成熟度。作為TAPAS 2 項(xiàng)目研究計(jì)劃的一部分，荷蘭國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室（NLR）開(kāi)發(fā)了大尺寸、大厚度熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪放工藝技術(shù)。采用 TenCate Cetex TC1320CF/PEKK 單向預(yù)浸料，通過(guò)自動(dòng)鋪放工藝成型發(fā)動(dòng)機(jī)短艙吊，如圖 14 所示 。該結(jié)構(gòu)長(zhǎng) 6m，厚度 28mm，用以替代原有金屬結(jié)構(gòu)，顯著降低了制造成本、結(jié)構(gòu)重量，提高了燃油效率。

結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)幾十年的積累，國(guó)外在熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域積累起強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過(guò) PEEK、PPS 等高性能熱塑性樹(shù)脂的研發(fā)，結(jié)合先進(jìn)的預(yù)浸料制備技術(shù)，形成了系列化的熱塑性預(yù)浸料牌號(hào)。同時(shí)，隨著自動(dòng)鋪放設(shè)備及工藝的發(fā)展，進(jìn)一步克服了熱塑性復(fù)合材料加工制造的困難，提高了成型效率，降低了制造成本，為熱塑性復(fù)合材料在各航空領(lǐng)域取得成功應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前已在國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙進(jìn)氣道降噪聲襯、吊架蒙皮、梁等結(jié)構(gòu)上取得成功應(yīng)用。

（2）國(guó)內(nèi)熱塑性復(fù)合材料的研究尚處于起步階段，目前相關(guān)研究應(yīng)用情況與國(guó)外還存在較大差距，應(yīng)進(jìn)一步加大高性能熱塑性樹(shù)脂的研究力度，開(kāi)發(fā)不同種類、不同耐溫等級(jí)的新型熱塑性樹(shù)脂；加快預(yù)浸料的工程化應(yīng)用研究，改善預(yù)浸料的浸漬質(zhì)量，提高工藝性。國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙研制單位應(yīng)借鑒飛機(jī)方研制經(jīng)驗(yàn)，結(jié)集國(guó)外、國(guó)內(nèi)資源優(yōu)勢(shì)，積極開(kāi)展熱塑性復(fù)合材料在短艙典型結(jié)構(gòu)上的驗(yàn)證工作，早日實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料的工程化應(yīng)用。

編輯：黃飛

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