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在热塑性复合材料领域一路领先

来源:荣格 发布时间:2017-03-12 1109
化工塑料橡胶模具及零件材料处理、计量与检测添加剂及母粒增强塑料
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Arnt Offringa是福克飞机结构(Fokker Aerostructures)公司的研究和开发总监,福克Fokker公司在航空航天应用热塑性复合材料方面具有领先地位。Arnt Offringa在这家公司已经工作了三十年,他在25年前就已经发表了关于热塑性复合材料的文章。本刊向他询问了关于飞机工业从金属到增强塑料和从热固性塑料到热塑性塑料基体的过渡。他还谈到了一些新的制造技术,例如传导焊接和共同固结(co-consolidating)。

增强塑料:空中客车的机翼前缘是由热塑性复合材料制成的,是这样吗?

Arnt Offringa:对。它们由玻璃纤维增强聚苯硫醚(PPS)制成。PPS第一次应用是在A340系列;然后使用在A380上,其前缘的整个翼展都由PPS制成。这是一个加载部件,以前是用铆接铝制成的。但当设计转化为使用轻质热塑性复合材料时,为了保持成本控制,所采用的焊接技术就变得尤为重要。

空中客车A380 机翼的前缘(“J-nose”)由玻璃纤维增强的聚苯硫 醚制成。

空中客车A380 机翼的前缘(“J-nose”)由玻璃纤维增强的聚苯硫醚制成。

在投入生产之后, 我们开发了下一代产品:比如Gulfstream G650和Dassault F5X这类商用飞机的尾部控制面。那些也是加载组件。它们由碳纤维增强PPS 制成。

可以说,福克Fokker的热塑性复合材料是引领塑料领域的先锋材料。

增强塑料:从玻璃纤维到碳纤维增强热塑性塑料,需要对制造过程做怎样的改变?

Arnt Offringa:我们需要使用不同的焊接技术。玻璃纤维产品使用电阻材料焊接:用电加热导电材料。碳纤维就会有些问题,因为它们会短路电阻材料。所以对碳纤维产品我们使用感应焊接。这很像你在家做的感应烹饪。磁场使电流流过碳纤维,局部加热它们以形成焊缝。

增强塑料:飞机的哪些其他部分能够用热塑性复合材料来替代?

Arnt Offringa:我们的目标是从我们已经拥有的产品上升到能够承受更高负荷的、更大的产品。例如完整的飞机尾部。但也许我们在机身部件上会与空中客车进行合作。使用复合材料制作产品并不是一件容易的事。但热塑性塑料由于其高韧性而提供了特殊的机会。

A380 J-nose 的焊接工艺。

A380 J-nose 的焊接工艺。

至于这些新的复合材料产品,我们正在使用的是略高级的热塑性基体:聚醚酮酮(PEKK)。它具有比PPS更高的耐温性,并且非常坚韧。PEKK与碳纤维结合是目前我们正在关注的聚合物。

我们还正在开发新的焊接技术,如超声波焊接。超声波是点焊。而对于较长的焊接,则使用感应焊接。我们正在开发一种我称之为传导焊接的技术。它使用加热模具操作,其被快速加热和冷却。我们希望通过传导焊接实现更高的生产速度,因为它使我们能够一次焊接6至10米。这个技术现在还处于实验室阶段,需要几年才能投入生产。这是因为在航空行业要进行所有必要的测试和认证需要更多的时间。

增强塑料:激光焊接是一种可行的替代方案吗?

Arnt Offringa:在某个连接部件是透明的情况下,可以进行激光焊接。但是对于承重部件我们将主要使用碳纤维材料,是不能使用激光焊接的。

增强塑料:所以下一阶段是机身部分传导焊接碳纤维增强PEKK ?

Arnt Offringa:我们正在研究其他大型部件,如翼展达十几米完整的机尾。我们也在研究飞机着陆襟翼:它们在起飞和着陆时会产生额外的升力,并且载荷非常大。

一名工人正在接受加工A380 J-nose 的培训。

一名工人正在接受加工A380 J-nose 的培训。

复合材料零件自八十年代初以来就一直伴随着航空工业。但是,完成机身和翅膀的复合材料的转变是最近才发生的事。

一般来说,你可以说复合材料的疲劳性能比金属性能好。你可以在复合材料中实现更轻的结构。特别是热塑性复合材料由于其较高的韧性而具有额外的潜力。

我们已经发现,热塑性复合材料的优点之一是在层压板中几乎没有任何损坏以及现有损坏的扩大。我们几年前对一个PEKK复合材料构造的飞机尾翼做了测试。在那里我们看到故意施加的损坏在测试期间、甚至在疲劳测试期间,都没有增大。这是由于这些聚合物特有的韧性。

在TAPAS 项目(http://www.tapasproject.nl/en/) 中, 正在开发的 商用喷气机尾部,使用一种纤维键接和对接接头加强的碳纤维增强 PEKK。

在TAPAS 项目(http://www.tapasproject.nl/en/) 中, 正在开发的商用喷气机尾部,使用一种纤维键接和对接接头加强的碳纤维增强PEKK。

波音787现在几乎完全由复合材料制成:机翼和机身都是复合材料。其大型维护间隔已从6年增加到13年。这是得益于复合结构较低的疲劳敏感性。

增强塑料:热塑性复合材料的优点已经显而易见了:更高的工作寿命、更轻的重量、更少的燃料消耗、更长的维修间隔。 但是它有什么缺点呢?

Arnt Offringa:最大限度地减轻重量的同时保持成本控制,是复合材料应用时的挑战。复合材料的材料成本比铝高得多。但如果我们进行综合比较,就还必须考虑其生产成本。这就是为什么像焊接热塑性复合材料这样的解决方案对于优化整个包装成本和性能如此重要。

增强塑料:所以虽然材料更贵了,但也更坚韧、更轻和更强。为了补偿更高的材料成本,必须在生产技术方面具有创新性。那么,自动化和生产过程的部分自动化是否很重要?

Arnt Offringa:是的。通常对于复合材料来说:随着产品尺寸越来越大、数量越来越多,自动化生产是趋势。热塑性塑料还具有一些额外的优势。例如,你可以融化聚合物,或使用如焊接等可以削减成本的制造方法。

对这种碳纤维增强PEKK 表皮的全尺寸测试。

对这种碳纤维增强PEKK 表皮的全尺寸测试。

我们正在研究的另一种技术,我称之为“共同固结(coconsolidating)”。就是将子组件融合成一个产品,实现高水平的集成。例如,熔化机身或机翼蒙皮及所有的加强元件。然后我们可以使用焊接技术连接所有零件。这种组合在成本上是非常有吸引力的。它甚至能够与铝结构竞争高下,铝结构往往是铆接在一起的。如果你可以远离钻孔和铆钉,将创造巨大的成本优势。

增强塑料:是否还有可能进一步增加飞机中复合材料的重量百分比?

Arnt Offringa:在2000年左右,机身后端已经是由复合材料制成了。所以在十年前空客A380整个飞机的重量已经有25%是复合材料。波音787的到来迈上了一个崭新台阶,而空客A350紧随其后。现在,波音787或空中客车A350的重量约为50%的复合材料。

整个机翼、机身和尾部都是由碳纤维复合材料制成。现在,除了一些非常重的机身桁架在是由钛制成的。当然,发动机也不是由复合材料制成的。它们相当重。但是那些是在非常高的温度下运行的燃气涡轮机。使它们脱离复合材料将是不合逻辑的。因此,复合材料的百分比已经非常高了。我们现在所关注的是,看到热塑性复合材料还能走多远.。

增强塑料: 福克(Fokker) 和空客也在开发和使用GLARE(玻璃层压铝增强环氧树脂)方面打开了新的领域,玻璃层压铝增强环氧树脂是一种由铝和玻璃纤维层与环氧树脂粘合而成的材料。GLARE提供了复合材料与铝相比的一些优点(例如更好的耐损伤性、更好的耐腐蚀性、更好的耐火性、更低的重量,以及可能定制纤维的数量、类型和取向),但传统的金属材料技术仍然在构造上和修复中占有优势是。那么,GLARE的未来是什么?

Arnt Offringa:这是一个非常重要的材料,特别是对于空中客车380 的机身。前我们正在与空中客车公司进行一项可行性研究,在某些空中客车飞机的机身上使用GLARE。对于自动化生产过程也是一个非常重要的参数。

GLARE是一种混合材料:它是金属和复合材料的混合物。我认为你可以安全地说,虽然复合材料可以实现最大程度的重量减轻,但GLARE 技术在应用时间上更具优势。比我们正在研究的热塑性复合材料,它是一个更简单的技术,因此更有可能在较短的时间内被引进到新的机身结构中来。所以,如果你想实现快速改进,GLARE通常是最合适的材料。

增强塑料:更多的外来材料会怎么样? 例如,转变为复合材料之后是转变为碳纳米管?

Arnt Offringa:现在我不能肯定。我看不到一个纳米材料称得上是连续碳纤维的真正的替代品。但是纳米材料可以作为改善复合材料的某些性能的添加剂,例如电导率。

碳纳米管和纳米材料是我们非常密切关注的发展领域。我们与相关的知识机构与公司保持着联系,关注他们的工作。但我们自身并不积极地去发展这一领域。我们预计这些材料的适用性仍需要一段时间。


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