高性能熱塑性復合材料在民用航空領域中的應用

羅云烽，姚佳楠

（1.中航復合材料有限責任公司，北京 101300；2.東華大學材料科學與工程學院纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620）

樹脂基復合材料具有輕質高強、抗疲勞、耐腐蝕、可整體成型等特點，因此被廣泛應用于航空航天領域。以樹脂基復合材料代替金屬材料可使飛機減重10%～40%，而其結構設計成本也可以降低15%～30%。自20世紀80年代起，復合材料在民用航空領域的應用逐漸增多，1980年，復合材料在空客（Airbus）公司的A300/310 飛機上的應用僅占約8%，隨后在A380 飛機上，復合材料的用量提升至約占結構重量的25%，而目前的A350XWB 飛機上的復合材料用量甚至已提高到約52%[1]。

作為商用大飛機的標志性機型，Airbus A380 飛機上大量結構采用了碳纖維復合材料（Carbon fiber reinforced plastics,CFRP），同時結合先進的整體化設計思路，以及自動鋪帶（Automated tape laying,ATL）、自動鋪絲（Automated fiber placement,AFP）等高度自動化手段進行制造，以達到高效率、高質量穩定性的效果，如圖1所示[2]。

圖1 Airbus A380上的復合材料大型整體部件Fig.1 Major monolithic composite applications on Airbus A380

相較于熱固性復合材料，熱塑性復合材料具有韌性好、疲勞強度高、沖擊損傷容限高、成型周期短、易儲存、可回收等優勢。隨著歐洲熱塑性經濟可承受性航空主結構（Thermoplastic affordable primary aircraft structure,TAPAS）、TAPAS 2、清潔天空（Clean Sky）、Clean Sky 2等一系列計劃的相繼推出，民用航空結構對航空材料的經濟性、環保性等提出了更高的要求，熱塑性復合材料因此成為研究和應用的焦點。圖2為高性能熱塑性復合材料在民用航空應用中的發展歷程[3]，可以看出，高性能熱塑性復合材料在民用航空應用中的地位愈發重要，表現為材料的種類不斷增加，應用部位及結構形式變得多樣，且逐漸從次承力結構向主承力結構發展。

圖2 高性能熱塑性復合材料在民用航空應用中的發展歷程Fig.2 Development of high performance thermoplastic composites application in civil aviation

目前，國際上高性能熱塑性復合材料生產制造商主要包括荷蘭Fokker（現已被英國GKN 收購）、TenCate（現已被日本Toray 收購）、DTC、荷蘭國家航空航天實驗室（NLR），歐盟Airbus，比利時Solvay，德國Evonik，美國Boeing、Cytec（現已被比利時Solvay 收購）、Hexcel、Ticona、Fiberforge，日本Teijin 等。經過幾十年的發展，業已形成了一系列商品化的熱塑性樹脂、預浸料等材料牌號。其中，增強材料主要包括碳纖維（Carbon fiber,CF）、玻璃纖維（Glass fiber,GF）等；高性能熱塑性樹脂基體主要包括聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide,PPS）、聚芳醚酮（Poly aryl ether ketone,PAEK）、聚醚醚酮（Poly etherether ketone,PEEK）、聚醚酮酮（Poly ether ketone ketone,PEKK）、聚醚酰亞胺（Polyetherimide,PEI）等；預浸料主要有TenCate Cetex 系列、Solvay APC 系列、Teijin Tenax 系列等。本文主要綜述國外民用航空領域中先進熱塑性復合材料的應用情況，為國內熱塑性復合材料的應用方向提供參考。

聚苯硫醚復合材料

PPS 是特種工程塑料的典型代表之一，分子結構為苯環與硫原子交替相連而成的線性結構。在凝聚態結構上，PPS 易于結晶，結晶度將近70%，因此，具有良好的熱穩定性、化學穩定性以及尺寸穩定性等。PPS主要具有以下5 個方面的性能優勢。

（1）優異的耐熱性能。PPS 熔點超過280℃，熱變形溫度超過260℃，且經過高溫熱老化處理后的強度保持率較高。

（2）自阻燃性。PPS 自身具有阻燃性，不加阻燃劑阻燃級別就可以達到UL94 V—0 級。

（3）良好的力學性能。PPS 屬于脆性材料，具有良好的耐蠕變性能，表面硬度高，具有良好的耐磨性，與碳纖維等材料復合，還表現出良好的自潤滑性。

（4）優異的耐化學腐蝕、耐輻照性能。PPS 在200℃以下幾乎不溶于任何溶劑，能耐受幾乎所有無機物，耐輻射劑量高達108Gy。

（5）良好的加工性能。PPS 熔體黏度較低，作為復合材料的樹脂基體，對于增強體的流動浸潤效果極佳。

由于PPS 具有以上性能優勢，且相較于其他高性能熱塑性樹脂又具有易加工、成本低的特點，因此成為制造復合材料的優良樹脂基體。目前商品化的PPS 預浸料主要由TenCate 公司及Fiberforge 公司提供，所采用的樹脂原料來源于Ticona 公司的PPS Fortron 系列牌號，TenCate公司的Cetex TC1100 PPS 熱塑性復合材料力學性能如表1所示[4]。包括座椅架、支架、龍骨梁、肋、固定翼、尾翼、進氣管、內飾等[5]各類以PPS作為樹脂基體的熱塑性復合材料結構在民用航空領域得到了廣泛的應用，如表2所示[1,5]。

表1 Cetex TC1100 PPS熱塑性復合材料力學性能Table 1 Mechanical properties of Cetex TC1100 PPS thermoplastic composites

表2 PPS復合材料主要應用機型及部位Table 2 Applications of PPS composites on main aircraft types and positions

Fokker 公司采用GF/PPS 復合材料為空客A340 飛機制造了機翼前緣，后又應用于A380 機型上，如圖3所示。作為承力結構，該結構原為鋁合金材質，通過優化熱塑性復合材料焊接工藝，成功替換為GF/PPS復合材料，實現了大幅減重的目標。同時，Fokker 公司還計劃開發下一代PPS 復合材料制品，采用CF 增強，制造如Gulfstream G650 和Dassault F5X 商用噴氣式飛機尾部操縱面[6]。

圖3 Airbus A380飛機的GF/PPS熱塑性復合材料機翼前緣Fig.3 GF/PPS thermoplastic composite leading edge of Airbus A380

Fokker 公司采用CF/PPS 熱塑性復合材料，制造Gulfstream G650飛機的方向舵和升降舵，如圖4所示[7]。預浸料采用TenCate 公司的Cetex 系列，樹脂為Ticona 公司的Fortron PPS。采用熱塑性復合材料替代原環氧樹脂復合材料夾層結構，其重量減輕約10%，成本降低約20%。Fokker 公司憑借該熱塑性復合材料方向舵和升降舵的感應焊接技術獲得了2010年JEC 航空類的創新大獎。

圖4 Fokker公司研制的CF/PPS熱塑性復合材料舵面Fig.4 CF/PPS thermoplastic composite rudder manufactured by Fokker

能夠采用焊接技術進行連接，是熱塑性復合材料在航空結構上得到大力開發的主要原因之一。采用焊接連接的方式，避免了裝配鉆孔對復合材料力學性能的影響，減少了緊固件的使用，從而大幅降低了結構重量和裝配成本。德國宇航中心（DLR）輕量化生產技術中心采用電阻焊接技術制造了新A320 飛機后壓力艙壁展示件。該技術的創新之處在于采用碳纖維結作為電阻元件替代原金屬網，并通過彎曲的金屬“焊接橋”施加壓力，將8 塊CF/PPS 復合材料部件焊接起來，如圖5所示。

圖5 Airbus A320飛機CF/PPS熱塑性復合材料后壓力艙壁展示件Fig.5 CF/PPS thermoplastic composite rear pressure bulkhead demonstrator of Airbus A320

A350 的機身連接角片使用TenCate 公司的Cetex CF/PPS 熱塑性預浸料，采用熱壓工藝成型，如圖6所示，整個機身使用的角片數量可達數千個。該預浸料使用Teijin 公司的Tenax 熱塑性碳纖維織物作為增強體，特點是將PEEK 用作碳纖維的上漿劑。該技術作為Teijin 公司的核心技術，避免了熱塑性復合材料成型前的去漿處理，改善了纖維與樹脂的界面黏結性。Teijin 公司在歐洲建成了年產1700t 熱塑性樹脂上漿碳纖維生產線，進而開發出PEEK、PEKK、PPS 等熱塑性單向預浸材料[8]。

圖6 Airbus A350飛機CF/PPS熱塑性復合材料機身連接角片Fig.6 CF/PPS thermoplastic composite fuselage clip of Airbus A350

飛機發動機短艙吊架是熱塑性復合材料應用的重點部位，如圖7（a）所示。A340 飛機發動機短艙吊掛表面由12 類、共22 件蒙皮結構覆蓋，均采用CF/PPS 材料制造。結構長度700～1400mm，寬度200～400mm，厚度2.8mm，具有復雜雙曲率外型，表面鋪設有防雷擊銅網表面膜，如圖7（b）所示。

圖7 Airbus A340飛機發動機短艙吊架Fig.7 Aircraft engine pylons on Airbus A340

由法國Daher 公司承制的空客A380 飛機發動機短艙吊架蒙皮，如圖8所示[9]。該結構是A380 飛機發動機上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8 Airbus A380飛機發動機短艙吊架蒙皮Fig.8 Aircraft engine pylon covers on Airbus A380

聚芳醚酮復合材料

聚芳醚酮（Poly aryl ether ketone,PAEK）是亞苯基環通過醚鍵和羰基連接而成的一類聚合物，根據分子鏈中醚鍵、羰基與苯環連接次序和比例的不同，可形成多種不同的聚合物，其中PEEK 和PEKK 是高性能熱塑性復合材料最具代表性的兩類樹脂基體。PEEK 是一種綜合性能突出的特種工程塑料，其性能特點包括以下優勢。

基于以上特點，纖維增強PEEK材料被用于飛機內飾件、電纜原件。以連續碳纖維、玻璃纖維進行增強的PEEK 復合材料還可以用于飛機的機翼前緣、機艙、操縱桿等。此外，鑒于材料的耐高溫特性，也被應用于飛機的發動機組件中。國外主要機型上PEEK 復合材料的典型應用如表3所示[10]。

表3 PEEK復合材料主要應用機型及部位Table 3 Applications of PEEK composites on main aircraft types and positions

美國Boeing 公司B757 采用GF/PEEK 以注射成型的方法制備發動機整流罩，該材料具備抗惡劣條件，如高濕度、超聲振動、高流速等特點，其重量比金屬制品減少約30%，價格降低約90%。

法國Stelia 公司采用CF/PEEK復合材料制造了一個全尺寸熱塑性機身驗證件，如圖9所示[11]。該結構利用絲束自動鋪放和非熱壓罐（Out of autoclave,OOA）固化工藝制造，用以評估下一代單通道飛機使用熱塑性復合材料的可能性[12]。

圖9 Stelia公司研制的CF/PEEK熱塑性復合材料機身驗證件Fig.9 CF/PEEK thermoplastic composite fuselage demonstrator manufactured by Stelia

正是因為PEEK 樹脂優異的力學性能，相繼推出了TC1200、TC1220 系列PEEK 熱塑性復合材料，其中TC1220 的韌性尤為突出，其沖擊后壓縮強度可達345MPa。

PEKK 與PEEK 極為相似，具有相似的結晶行為，二者的化學結構如圖10所示。PEKK 相對PEEK具有更低的加工溫度以及更寬的加工溫度工藝窗口[13]，且具有相當的力學性能，這使得PEKK 復合材料的工藝性較PEEK 復合材料更優，并且更適合自動化工藝要求。因此TenCate 公司推出的Cetex 系列熱塑性預浸料體系，其中包括一個低熔點PEKK 系列，性能如表4所示[8]。因此，PEKK 也被逐漸開發用作高性能樹脂基復合材料的樹脂基體，繼而應用于大型客機的結構件或者內飾部件中。

表4 Cetex PAEK系列熱塑性復合材料性能Table 4 Properties of Cetex PAEK series thermoplastic composites

圖10 PEKK和PEEK的化學結構Fig.10 Chemical structures of PEKK and PEEK

作為TAPAS 2 項目研究計劃的一部分，NLR 開發了大尺寸、大厚度熱塑性復合材料結構的自動鋪放工藝技術。采用TenCate Cetex TC1320 CF/PEKK 單向預浸料，通過自動鋪放工藝成型發動機短艙吊架上部梁，如圖11所示[14]。該結構長6m，厚度28mm，用以替代原有金屬結構，顯著降低了制造成本、結構重量，提高了燃油效率。

圖11 采用自動鋪放工藝成型的飛機發動機短艙吊架熱塑性復合材料上部梁Fig.11 Thermoplastic upper spar manufactured by advanced fiber placement for an aircraft engine pylon

此外，TenCate 公司與NLR 和DTC 公司合作，采用TC 1320 CF/LM PEKK 預浸料制備熱塑性復合材料加強筋，如圖12所示，并焊接為殼體的增強結構。該結構的成型充分驗證了絲束自動鋪放結合熱壓罐固化的兩步法成型工藝，后續的工藝優化則側重于研究非熱壓罐固化工藝，而采用真空袋/烘箱固化[8]。

項目5：探索科研人員和財務人員的財務管理的合作方式，按照國家、省的推動科技創新發展的新政策、新要求，強化財務服務意識，啟動科研財務助理的遴選、培訓和聘用工作，使科研人員能夠從復雜的財務業務中解脫出來，潛心科學研究。

圖12 TenCate公司研制的CF/LM PEKK熱塑性復合材料加強筋Fig.12 CF/LM PEKK thermoplastic composite rib manufactured by TenCate

同樣作為TAPAS 2 項目研究內容，Fokker 公司開發了一種針對熱塑性復合材料的低成本成型技術，用以制造Gulfstream G650 后機身壁板，如圖13所示[15]。該壁板蒙皮具有雙曲率結構，內表面由縱向長桁與周向加強筋共固化成網狀加強框架，原材料采用Solvay 公司的CF/PEKK單向熱塑性預浸料。該機身壁板從設計角度摒棄了傳統的0°/90°/45°鋪層，而是結合纖維導向AFP 制造技術，極大地提高了纖維強度的利用率；縱橫筋成型開發了一種創新性的連接技術，采用低成本短切纖維注塑角撐及連續纖維平板層合板的腹板和緣條，結合機器人自動焊接技術，進一步降低了制造成本。由于無需使用緊固件，避免了緊固件連接孔，因此節約了緊固件費用及鉚接裝配費用，同時減輕了結構重量，使該機身壁板比傳統復合材料的成本降低約20%，減重約10%。

圖13 Fokker公司研發的CF/PEKK熱塑性復合材料機身壁板Fig.13 CF/PEKK thermoplastic composite fuselage panel manufactured by Fokker

同樣作為焊接技術的驗證件，Clean Sky 生態設計演示機的機身面板采用實驗室規模的超聲波點焊技術，將CF/PEEK 鉸鏈和CF/PEKK 卡箍焊接到CF/PEEK 的C 型框架上，如圖14所示。該連接方式已通過雙搭接剪切和拉通試驗，與傳統的機械緊固連接方式進行了對比驗證，證實其連接效果可靠。

圖14 超聲波點焊連接熱塑性復合材料機身壁板Fig.14 Thermoplastic composite airframe panel manufactured by ultrasonic spot welding

Fokker 公司采用Solvay 公司的APCTm(PEKK–FC)/AS4D，碳纖維/聚醚酮酮預浸料制造了飛機水平尾翼展示件，如圖15所示[8]。

圖15 Fokker公司制造的CF/PEKK熱塑性復合材料飛機水平尾翼Fig.15 CF/PEKK thermoplastic composite aircraft horizontal tail manufactured by Fokker

在PEEK、PEKK 熱塑性復合材料技術基礎之上，為進一步適應自動化制造工藝的要求，Tencate 公司推出了TC1225 低熔融溫度PAEK 熱塑性預浸料，采用該預浸料通過自動鋪放工藝制造復合材料結構件，其內部質量可達到熱壓成型工藝成型復合材料的內部質量，使得熱塑性復合材料完全具備了自動化制造工藝可行性。

聚醚酰亞胺復合材料

聚酰亞胺（Polyimide,PI）是耐溫等級最高的一類特種工程塑料，因此針對PI 作為樹脂基體的復合材料一直是研究熱點。早期開發的PI 復合材料多使用熱固性PI，其不溶、不熔的特點使其難于制造加工，限制了它的進一步應用[16]。隨著民用航空結構對經濟性、環保性等要求逐漸提高，聚醚酰亞胺（Polyetherimide,PEI）在民機上的應用受到廣泛關注。PEI 既能保持PI 的各種優異性能，又可采用一般熱塑性塑料的成型加工方法加工，其性能特點包括以下優勢。

（1）優異的耐熱性能。PEI 是非晶型高聚物，熔程為340～400℃，熱變形溫度超過200℃。

（2）優異的阻燃性。美國GE 公司的萬噸級Ultem PEI，其各品級產品阻燃性均能達到UL-94 V-0 級，極限氧指數極高，可達47%，燃燒時煙霧密度低，有毒氣體少。

（3）優良的尺寸穩定性。成型收縮率低，成型后殘余應力小，不易開裂，線膨脹系數小，耐蠕變性能好。

（4）良好的耐輻照性能，耐化學藥品性，耐水解性。

由于PEI 具有以上性能優勢，結合優異的可加工性，其復合材料特別適用于制造飛機內壁板、內飾件、連接件和絕熱、隔音結構等。目前，國外應用較多的PEI 復合材料為Tencate 公司的Cetex TC1000，其力學性能如表5所示[17]，其主要應用如表6所示[1,5,18]。

表5 Cetex TC1000 PEI熱塑性復合材料力學性能Table 5 Mechanical properties of Cetex TC1000 PEI thermoplastic composites

表6 PEI復合材料主要應用機型及部位Table 6 Applications of PEI composites on main aircraft types and positions

Fokker 公司采用TenCate 公司Cetex CF/PEI 預浸料，制造了Gulfstream 550 和G650 飛機的夾層結構壓力艙壁板，如圖16所示[7]。

圖16 Fokker公司研制的CF/PEI熱塑性復合材料壓力艙壁板Fig.16 CF/PEI thermoplastic composite pressure bulkhead floor panel manufactured by Fokker

德國的Xperion 公司采用連續模壓成型工藝，研制了空客A330/A340 飛機室內側壁板橫桿扣件，如圖17所示。該結構件采用CF/PEI 熱塑性復合材料，較傳統鋁合金制件減重約50%，成本降低約21%。

圖17 Xperion公司研制的CF/PEI熱塑性復合材料卡扣Fig.17 CF/PEI thermoplastic composite clip manufactured by Xperion

由于民機噪聲指標已成為適航取證的強制性指標，為降低發動機噪聲，在研究發動機降噪技術的同時，發動機短艙結構的降噪技術也在不斷發展，消音襯墊技術是其中一種主要技術方案。該結構為具有消聲功能性的復合材料蜂窩夾層結構，TenCate 公司開發的CF/PEI 熱塑性復合材料層板，作為發動機短艙進氣道降噪聲襯蜂窩結構面板，已在空客A380 飛機發動機上實現商業化應用，如圖18所示[19]。

圖18 Airbus A380飛機發動機短艙降噪聲襯熱塑性復合材料蜂窩結構Fig.18 Honeycomb sandwich thermoplastic composites for noise reduction liners of Airbus A380 aircraft engine nacelles

結論

（1）以PPS、PAEK/PEEK/PEKK、PEI 為代表的高性能熱塑性樹脂基復合材料，已在國外民用航空結構上得到廣泛的驗證和應用，并取得了良好的減重和降低成本的效果。其中PPS 復合材料多用于機身外部結構，采用熱壓工藝結合焊接成型工藝，實現整體化結構件的低成本制造。此外，在適合熱壓罐成型工藝的PEEK復合材料基礎上，又相繼形成了適合于非熱壓罐工藝的PEKK 復合材料，以及更適合采用自動化工藝制造大型整體化結構的低熔融溫度PAEK 復合材料體系；而PEI 由于自身所具有的優異的阻燃特性，其玻璃纖維增強復合材料多用于具有阻燃要求的零部件，如艙內結構等。

（2）國外在高性能熱塑性復合材料及其成型工藝方面積累了巨大的先發優勢。以TenCate 公司為代表的多家材料供應商已形成系列化的商用熱塑性預浸料牌號，包括與之配套的適合于不同工藝的專用樹脂體系、界面改性的專用纖維增強體等；同時各大制造商對包括自動鋪放原位固結工藝、自動鋪放結合熱壓罐/非熱壓罐固化工藝、自動化沖壓快速成型工藝、機器人自動感應焊接等多種自動化成型工藝進行了充分的驗證，可以說國外熱塑性復合材料的制造技術已基本實現自動化工藝的工程應用，并取得了顯著的應用效果。

（3）根據國外的經驗，我國應充分利用研制國產大飛機的契機，積極推動熱塑性復合材料在機翼前緣、發動機短艙等對于抗沖擊要求較高的結構的驗證和應用。結合國產樹脂及纖維的替代研究，開發適用于熱塑性樹脂的上漿劑及上漿工藝，進而形成系列化的熱塑性預浸料牌號。同時，注重自動化成型設備及其工藝、焊接設備及其工藝的研制，以充分利用熱塑性復合材料成型高效率、整體化的優勢，形成國產高性能熱塑性復合材料的技術體系。