热塑性树脂基复合材料在民机上的应用研究

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1、热塑性树脂基复合材料在民机上的应用研究　　【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

2、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。7　　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

3、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

4、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；7　　5）可实现结构减重，热塑性树脂基复合材料结构件间

5、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

6、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。7　　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

7、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

8、研究的机构成立了TAPAS（ThermoplasticAffordablePrimaryAircraftSt