航空航天业复合材料解决方案

全球对飞机的需求在不断增长，航空航天工业也在呼吁使用复合材料，以满足其降低重量的同时缩短制造时间、节省成本的需求。复合材料行业正在开发新产品以满足这些需求，越来越多的这类产品已经生产出来。

威格斯（Victrex）航空航天的总监Tim Herr表示，目前降低成本是航空航天工业的重中之重。他说：“飞机制造商正努力吸收过去9 - 10年的积压订单，并需要能够减少制造和运营成本的解决方案。”为了提高生产能力，满足日益增长的飞机制造速度，一个重点领域是复合材料。复合制造结合了设计的灵活性和快速的生产，可以提高制造效率，并有可能简化设计，同时可以带来重量上的节省以降低运营成本。

“由于行业界继续强调‘买飞比’，连续制造和材料利用的效率使得复合解决方案在航空航天应用中极具吸引力。分析师预计，未来五年，全球航空航天复合市场将增长9600万磅（4350万公斤），增长33%。在此范围内，热塑性复合材料预计将达到210万磅（100万公斤），增强热塑性材料达到83%的增长。”

为了满足这些市场需求，威格斯（Victrex）公司已将热塑性复合材料工程、新制造技术与聚酮材料技术相结合，为航空航天工业创造出新颖的解决方案。“聚酮复合材料的加工和性能优势非常引人注目。”Hell解释说：“与热固性复合材料相比，聚酮复合材料可以由高压釜生产，成型周期可从数小时显著缩短至仅为数分钟，从而将生产率提高90 %。对于传统的金属溶液，聚酮复合材料的重量节省高达60%，其刚度相等或更好。此外，聚酮复合材料的设计灵活性使工程师能够设计出高度功能化的组件来简化、标准化和巩固零件以减少装配时间和制造成本。结构或负载支架是聚酮复合材料溶液的明显选择。与热固性和金属组件相比，该技术减少了制造工艺和时间；此外，由于材料的高机械性能、化学性能和耐腐蚀性，同时减少了维护停机时间。”

图1. VICTREX AE ™ 250 混合模制支架将复合预浸料与混合包覆成型相结合，提供比金属更大的设计自由度和强度。

从驾驶舱到机尾，商用飞机使用了成千上万的支架和系统附件。这些部件的总数可观，尤其当这些部件是由机加工金属或热固性材料叠层制成的时候可增加大量成本和重量。与传统热固性制品相比，由威格斯VICTREX PAEK制成的部件（其图1）生产效率更高，而与不锈钢和钛制品相比，能明显减重，并且具有同等甚至更优的机械性能，如强度、刚度、和耐疲劳性。

行政总裁David Hummel补充说：“这是一次非常令人振奋的机会，我们在聚酮市场上具有强大优势，这将加速航空航天业的创新和差异化解决方案。我们的航空承重支架项目就是一个很好的例子，证明除了材料供应我们还可以提供新的形式和部件，并建立一个全新供应链以应对航空业有待满足的需求。”

Victrex公司表示，热塑性聚酮复合材料相比热固性复合材料上的主要优点是快速制造。Tim Herr补充说：“热塑性复合材料适用于高压釜工艺，并将成型时间从几小时缩短到几分钟。对于OEM和一级制造商来说，聚酮复合材料将减少流程瓶颈，并有可能将产量提高高达90%。”

为了推动在航空航天工业中聚酮（PAEK）复合材料的商业化应用，Victrex和Tri-Mack塑料制造公司已经联合成立了一家合资企业，即TxV航空复合材料公司。数百万美元的投资包括在美国建立一个新的制造工厂。新公司将成为聚酮复合材料从概念开发到商业化的全套解决方案提供商。集世界一流的材料、设计、开发和制造专业经验于一身，TxV航空复合材料公司将能够迅速抓住重点解决客户的挑战。该公司可提供一系列PAEK复合材料制品，从定制层压制品和用于混合成型工艺的预成型复合材料嵌件，到复合材料成品零件以及完整的包覆成型混合复合材料部件及组装件。一个例子是VICTREX AE™250复合材料，这是一种新的基于PAEK的低温加工复合材料产品系列，可实现混合成型工艺。这项创新将连续增强的热塑性复合材料的强度与VICTREX™PEEK注塑聚合物的设计灵活性和可靠性能相结合（图2）。

图2. 聚合物产品和部件。威格斯综合解决方案涵盖从聚合物到零件和半成品。

Tri-Mack塑料公司是威格斯稳固而长久的合作伙伴，并在复杂的航空航天用零件和组装件的开发和制造方面享有盛誉。TxV航空复合材料公司将在美国建造一个高端聚酮复合材料专业中心，预计2017年内完工。Tri-Mack总裁在评价这家合资公司时指出：“在未来20年中将有大约35000架新飞机投入使用，航空业正在接纳热塑性复合材料作为具有成本效益的解决方案以满足这一增长。PAEK热塑性复合材料的加工效率和性能优势，结合最先进的自动化生产能力，足以使TxV航空复合材料公司能够应对该行业在成本和减重方面所面临的挑战。”

Tim Herr还认为，合资企业提供了许多优势，可以促进在航空航天领域使用聚酮复合材料技术。“PEEK混合复合材料组件的供应链还处于起步阶段，其学习曲线可能会很长很复杂。” 他说：“TxV Aero复合材料结合了Victrex公司在制造市场的经验，在这些市场中，聚酮类产品拥有强大的优势，在过去的40多年里，其专门从事高温热塑性塑料和热塑性复合材料的生产。”TxV Aero复合材料的定位是结合材料、工程、开发和制造方面的专业知识，解决航空航天业未满足的需求。

Herr补充说，TxV航空复合材料公司将作为一个全面的解决方案运营提供商，能够帮助客户实现从概念开发、原型设计到商业化的各个阶段。

目前还没有在世界其他地方建造工厂的计划。不过，他表示，威格斯公司在航空航天业始终准备着面对新的挑战和机遇。

公司相信，未来还可能有许多新的聚酮应用。Tim Herr总结说：“任何重量、成本、效率或性能是工程关键要求的应用，都很适合聚酮复合材料。通过对材料性能的精细调整，我们可以想象在机身、发动机和起落架上的结构支架将有很大的机会。除了现有的设计，新的电力或混合动力推进系统可能在未来的飞机上扮演重要的角色。如果强度重量比和制造效率仍然是关键的要求，那么，未来对于聚酮复合材料解决方案来说，前景是光明的。”

减少碳足迹

赫氏（Hexcel）航空公司欧洲营销副总裁Bertrand Germain认为，节省重量和使飞机更节能高效以减少碳足迹仍然是航空航天工业的主要驱动力。他说：“在整个航空航天计划中可以找到新的复合解决方案的机会。这些包括商用飞机的结构和内饰、飞机发动机和机舱、直升机结构和转子叶片、防空飞机、太空发射装置和卫星、无人机和复合结构所需的工具。

图3. 具有共同连接桁条的HiTape® 飞机面板。© 赫氏Hexcel。

此外，削减制造成本也是一个重大举措。Germain继续说道：“这带来了更加自动化和新产品形式的开发，用于预浸料、优化宽度和厚度，如切割条带；以及新型高压釜技术，如HiTape、HiMax™NCF和RTM6-2。此外，还需要不能用传统复合材料制成的复杂形状的零件，这催生了HexMC模塑复合材料的发展。我们最近为航空应用开发的其他产品包括：HexPly® M92，用于从较低温度的固化预浸料获得更高的性能；Acousti-Cap用于开发更为安静的飞机发动机；以及HexTool®适用于固化飞机结构的耐高温模具，在设计变更时可以进行修改且不会造成任何完整性损失。”

该公司表示，HiTape®高性能干式单向增强体旨在满足飞机主体结构的要求，这些结构是通过具有成本效益的高压釜技术（如真空输注或注射）制造的（图3）。HiTape®允许干式预成型件以完全自动化的叠层制造，类似于广泛用于UD预浸料的AFP和ATL工艺。HiTape®的宽度公差可以全面控制自动干燥预成型工艺，即使对于复杂的结构也是无废料操作，因为材料必须放置在所需的确切位置。采用高压蒸汽真空灌注技术，使用HiTape®制造的飞机结构，证明纤维体积含量和机械性能与最新一代的主结构预浸料制成的部件非常相似。HiTape®具有特别高的冲击压缩性能（CAI）性能，而Hexcel表示，这是使用单向碳增强的注入技术的新突破。基于HexTow®碳纤维，Hexcel还为HiTape®提供HexFlow®注入环氧树脂，以获得最佳的机械性能和注射/注射加工（图4）。

图4.HiTape® 碳增强体。© 赫氏Hexcel。

赫氏（Hexcel）表示，HiMax™多轴增强材料，也称为非卷曲织物（NCF）是多层单向纤维，每个层位于不同的取向或轴线上（图5）。然后通常将这些层缝合以形成织物。多轴增强材料根据纤维的受控取向在多个方向上提供强度和刚度。优化了织物的重量分布，并且可以混合纤维类型。直线非卷曲纤维允许良好的树脂渗透和流动，这对于注入和Light-RTM成型工艺非常理想，同时缝合助剂有助于树脂通过层（Z方向）的迁移，最大限度地提高注入效率。非卷曲概念允许增强平面内的机械性能，例如张力和屈曲。 在复杂的铺设中，材料浪费较少，而通过使用较厚的材料可以减少铺设时间。

图5. HiMax ™ © 赫氏Hexcel.

最新一代商用飞机和发动机有越来越多的大型飞行关键复合结构，需要几何形状复杂的小部件将这些结构连接起来。在过去，这些连接器部件将由金属制成，易受疲劳和腐蚀的影响。Hexcel的HexMC®技术是基于高性能航空级碳纤维/环氧树脂材料，可以以具有成本效益的方式系列生产复杂形状的材料（图6）。所生产出来的部件表现出与碳纤维/环氧预浸料相当的性能水平，并且重量减轻，可降低航空燃料消耗并增加飞机有效载荷。

图6.HexMC® 机翼检修面板。© 赫氏Hexcel。

据称HexPly® M92环氧树脂体系是航空应用领域125℃固化的最新升级版，集所有其他125℃固化环氧树脂所能达到的优势于一体。它具有高达115℃的热湿Tg性能，这让固化层压板能在成本较低的125℃操作温度至更高的操作温度范围内加工。该系统是自粘性蜂窝体，使其适合于夹层结构，以及整体结构件。其他优点包括高韧性、耐火性、低放热性和长/粘性寿命。HexPly® M92可提供各种预浸料（编织和UD预浸布）。

此外，对于航空航天应用，HexTow® HM63具有任何高模量碳纤维的最高拉伸强度，并提供复合材料中卓越的纤维特性，包括卓越的层间剪切和压缩剪切强度。

图7. AcoustiCap®。© 赫氏Hexcel。

据公司介绍，HexWeb® Acousti-Cap® 消音蜂窝，使飞机发动机设计人员能够获得良好的声学性能，包括起飞和着陆时的重大降噪，而不会造成结构重量损失（图7）。这标志着对当前技术的改进，需要在减轻重量和降低噪音之间进行权衡。HexWeb® Acousti-Cap®蜂窝芯中嵌入有渗透性的隔声罩以形成声学隔膜。基于特定的气流阻尼特性，设计出蜂窝芯总厚度、一个单元内嵌入隔声罩的数量及深度，使最终产品满足降噪要求。HexWeb® Acousti-Cap®蜂窝由GE和劳斯莱斯用于减轻重量，并将发动机噪音降低高达30%。最近的应用是用于波音737 MAX的LEAP引擎，该机型在2017年5月投入使用。

图8. 加工HexTool®。© 赫氏 Hexcel。

赫氏（Hexcel）补充说，HexTool®复合模具材料能够将公差精度高的金属与极轻的纤维复合材料相结合（图8）。与传统的复合工具和金属（特别是由Invar®制成的）模具相比，这种轻型、高效的大型工具新概念更具有成本效益。该公司表示，寿命长、易于使用以及固化结构的机械加工性，是新一代飞机复合结构模具选择HexTool®的主要原因。

结构预浸料

索尔维（Solvay）还开发了适用于航空航天应用的高压釜复合技术，其中仅包括真空袋（VBO）预浸料、兼容的粘合剂和表面膜。这些结构预浸料包括CYCOM® 5320-1、MTM® 44-1、MTM® 45-1和VTM® 260系列。该公司表示，它们的设计是提供低孔隙率、长寿命和简单的固化成型。并已经开发了膜粘合剂，如FM® 309-1、FM® 209-1和VTA™260、用于VBO固化，并提供良好的机械性能。Surface Master® 905 和VTF® 266被认为是VBO应用的理想表面膜。

该公司还推出了用于树脂浸渍技术的PRISM® EP 2400和PRISM® TX 1100干碳带。PRISM®EP 2400是一种增韧环氧体系，存储时间长、粘度低，非常适合大型主承力结构。PRISM® TX1100是一种兼容的干碳纤维窄带，可以通过自动纤维铺丝（AFP）设备铺设预成型体。这些材料已获得联合飞机公司认证，由Aero Composit开发和生产Irkut MS-21机翼结构。此外，CYCOM® PR 520是一种韧度极高的树脂，具有卓越的损伤容限和良好的应变性能，可替代金属，用于高性能工程部件，如赛峰（Safran）公司的LEAP发动机风扇叶片和风扇机匣。

索尔维（Solvay）还向Performance Plastics有限公司提供了Torlon®聚酰胺酰亚胺（PAI），后者是一家先进工程部件精确注模公司，推出应用于航空航天维护应用的新一代EnduroSharp™刮刀产品。该公司表示，Torlon® PAI使这些新工具足够坚固，并保持其比由竞争性聚合物成型的刀片更长的边缘，但其安全性足以从精细表面去除有挑战性的材料。

Torlon® PAI刀片手柄和插件，使航空航天维护专业人员能够安全地移除纤维增强复合材料、塑料、玻璃、陶瓷或金属表面和紧固件上的弹性涂层、除冰膜、胶带、密封胶、粘结剂、填缝剂或胶带残余。酰亚胺刮刀也能用在高温或化学刮除工艺中以更快除去表面物质。该公司表示，Torlon® PAI将热固性聚酰亚胺的性能与热塑性塑料的易处理优势相结合。

TenCate高级复合材料公司推出了TenCate Cetex TC1225，这是一种基于聚芳醚酮（PAEK）的热塑性预浸料，在航空航天应用中，可以在较低的加工温度下获得高的机械性能。并且，适合与PEEK二次模压成型。PAEK复合材料被认为能够在最高性能应用中实现形状自由和部分合并。它们有碳基单向预浸料条带、层压板和预浸料织物多种制品形式。该公司还开发了TenCate TC380，一种韧性环氧树脂，冲击后具有良好的压缩性和开孔压缩强度，使该系统成为直升机、无人机和军用飞机上航空结构应用的理想选择。

来自瑞典Oxeon公司开发的TeXtreme® Spread Tow碳纤维织物和UD带已被认证具有足够优异的性能可满足商业航空应用需求，其质量得到了领先的飞机制造商的认证。HAECO航空公司正在寻找一种可以减轻重量并能显著节省燃料成本的材料。HAECO转向TeXtreme®，以帮助优化其当前座椅设计的重量，同时保持原有的机械性能。此项目中，TeXtreme®通过计算、模拟和制造等多种方法措施，帮助HAECO将飞机座椅的重量减少近20%。这部分由TeXtreme®作为原材料的座椅正在生产中，预定于2017年交付。

戴铂（Diab）与Diehl Aircabin签署了长期协议，将为其供应 Divinycell F和其他用于客舱内部应用的结构泡沫芯材料，包括空中客车350 XWB和波音777。Diab表示，增加新飞机的生产效率需要更多的工业化制造。传统的蜂窝解决方案需要密集的劳动才能获得良好的表面光洁度，同时还需要封闭边缘以避免吸湿。Divinycell F最大限度地减少了密集型劳动和为达到高品质的表面光洁度所需的昂贵的腻子、砂光和清扫步骤。Divinycell F具有闭孔和最小的吸水率，也无需边缘填充。许多蜂窝板设计现在将Divinycell F作为边缘收尾材料。

据该公司称，与Nomex蜂窝解决方案相比，使用Divinycell F可以节省高达20%的重量，这意味着可以节省大量成本。Divinycell F生产线也具有业界最短的交货期和最高的生产能力。Divinycell F能耐高温，且大大超出飞机内饰关于阻燃性、烟密度和毒性（FST）的所有规章要求。它在OSU热释放方面的测试值也大大低于规章要求。热塑性泡沫适应多种生产工艺，减少循环时间和成本，从而产生更多的设计自由度。目前的应用包括空中客车350 XWB等飞机的头等舱和商务舱座椅，以及盥洗室内饰、厨房、行李箱、座舱空气分配系统和窗框。

图9. 汉高与空中客车公司长期合作。

汉高（Henkel）粘合剂技术公司已经开始在西班牙的Montornès del Vallès工厂建造一个新的航空应用生产设备。这条新的生产线将满足日益增长的全球航空航天工业的需求趋势，如轻量化和自动化。该设施将包括新的厂房和设备，将增强汉高的产品生产和储备能力。首批产品预计将于2019年交付（图9）。

汉高胶粘剂技术部门执行副总裁Jan-Dirk Auris表示，全球客机的需求预计将在2034年前翻一番，这对汉高而言是一个非常有吸引力的增长市场。“飞机制造商及其供应商正在扩大产能，以满足不断增长的需求。汉高在Montornès的设施将提供更强的生产能力，进一步支持航空航天市场的全球增长。我们相信，我们的高影响力材料和我们的专业知识，对于我们的客户有效地提高效率和应对关键市场趋势至关重要。”