過去十年,復(fù)合材料的持續(xù)火熱,讓傳統(tǒng)的塑料悄然踏入民用、商用和軍用飛行器領(lǐng)域。新一代飛機數(shù)年內(nèi)就要飛上藍天,熱塑性復(fù)合材料將伴隨其中。
像丙烯腈二乙烯丁二烯(ABS)、聚醚醚酮(PEEK)和聚苯硫醚(PPS)這樣的塑料目前正廣泛用于航空制造。聚醚酰亞胺是航空工業(yè)中的另一款明星材料,因為用它生產(chǎn)的零件可以滿足美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)嚴格的火焰、煙霧和毒性(FST)要求。聚醚醚酮(PEKK)是一種先進的高溫工程聚合物,擁有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性、熱穩(wěn)定性和阻燃性。新牌號PEKK,如HT-23,其高強度和輕質(zhì)使其成為有競爭力的鋁替代品。
塑料相比鋁和其他傳統(tǒng)航空材料擁有許多優(yōu)勢,如輕質(zhì)、高強和高耐久性。像PEEK這樣的耐熱、無腐蝕性塑料可以代替金屬緊固件和螺釘,不需要對現(xiàn)有零件的整個設(shè)計進行任何更改,可以直接替代OME組件。托架、襯墊、導(dǎo)向裝置、密封裝置、間隔裝置和墊圈是輕質(zhì)航空組件,耐熱塑料可以超越金屬,提供熱和機械穩(wěn)定性、絕熱性能、零可燃性、真空中的低氣體釋放,以及耐燃油和其它化學(xué)品腐蝕。
飛機結(jié)構(gòu) 舊塑料的新角色
盡管傳統(tǒng)塑料已經(jīng)使用了幾十年,航空工程師還在尋找其新角色。
航空零件生產(chǎn)商工程塑料產(chǎn)品公司(EPP)總裁阿力克斯·柯蒂斯表示:“每年,越來越多擁有獨特性能的塑料正被創(chuàng)造出來,并且正在替代金屬材料,這些特性特別適合特定的用途。塑料通常因其高強質(zhì)比和多種現(xiàn)代化合物的天然抗腐蝕性而成為更好的選擇。由于飛行器和航空組件通常是小批量生產(chǎn),絕大多數(shù)塑料零件似乎不適合用模塑法,而是從基礎(chǔ)外形加工而來。另一個優(yōu)勢是許多塑料材料是自潤滑的,無需加入動物油和石油基的潤滑油,它們會導(dǎo)致著火或爆炸危害?!卑⒘怂埂た碌偎贡硎荆骸敖鼇硭芰霞夹g(shù)有所提高,推動了航空產(chǎn)品中的承載、扭矩控制和齒輪傳動能力極限的提升。擁有超級熱、化學(xué)和輻射抗性的優(yōu)質(zhì)牌號,讓塑料在航空工業(yè)中扮演越來越重要的角色。
密歇根技術(shù)大學(xué)機械工程和材料科學(xué)教授喬治·奧加德表示:“航空工業(yè)中聚合物的使用正在增加,特別是飛行器。過去鋁是主要材料,因為其重量和成本相對低,并且耐腐蝕和耐疲勞。不過,在近20年來,聚合物材料慢慢替代了鋁,特別是飛行器的結(jié)構(gòu)上。這一增長出現(xiàn)在所有領(lǐng)域,包括小型軍用和大型商業(yè)飛行器。目前還有巨大的興趣增加航天飛機的復(fù)合材料用量。比如,NASA剛投資1500萬美元,為深空載人任務(wù)開發(fā)下一代復(fù)合材料。”
盡管有許多優(yōu)勢,一些航空工程師仍不情愿轉(zhuǎn)換到塑料上來。喬治·奧加德表示:“聚合物復(fù)合材料壁板比鋁壁板更難制造,也就更昂貴。而且,工程師們與鋁打了數(shù)十年交到,擁有海量的知識和信心。聚合物復(fù)合材料更新,而且我們?nèi)栽谂φ莆账鼈冊谠S多條件下的行為。比如,我們還不完全掌握聚合物復(fù)合材料如何響應(yīng)長期老化。所有聚合物都會在自然條件下老化,聚合物分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生非常緩慢的催化,可能許多年才發(fā)生。聚合物還會因為暴露在潮濕、紫外輻射和高溫環(huán)境下而加速老化。我們?nèi)孕韪嗟亓私膺@些老化機理及其對復(fù)合材料機械完整性的影響?!?/p>
喬治·奧加德表示:“鋁制機身的一個重要優(yōu)勢就是緩解閃電擊中帶來的損傷。鋁導(dǎo)電性好,這意味著電流可以很容易穿過飛機。不過,聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)電性就相對要低。因此,必須在波音787的機身上增加一層額外的銅網(wǎng),以耗散閃電的電流。”
熱塑性替代熱固性 重新思考復(fù)合材料
航空工業(yè)當(dāng)今的一個趨勢就是,越來越多的使用熱塑性復(fù)合材料替代熱固性復(fù)合材料,而傳統(tǒng)上是用后者來制造復(fù)合材料零件。由于熱塑性復(fù)合材料可以被融化,固化就不那么關(guān)鍵。熱塑性復(fù)合材料也沒有熱固性復(fù)合材料那么脆弱,可以用多種方式焊接。使用熱塑性復(fù)合材料制造大型整體組件可以不需要膠接,裝配的機械接頭不那么復(fù)雜,熱塑性零件裝配也不需要墊片。
Victrex公司技術(shù)經(jīng)理斯圖亞特·格林表示:“這幾年,許多傳統(tǒng)的金屬航空結(jié)構(gòu)都被疊層的先進碳纖維增強熱固性聚合物復(fù)合材料代替,以求減重、提升燃油效率,降低運營成本。當(dāng)前,對使用熱塑性碳纖維復(fù)合材料的興趣越來越大,比如那些基于PEEK的材料,以提高制造生產(chǎn)率并滿足飛行器對提速生產(chǎn)的迫切需求?!?/p>
Victrex近來與Tri-Mack塑料制造公司組建了合資企業(yè)TxV航空復(fù)合材料公司,加速聚芳醚酮(PAEK)復(fù)合材料在航空工業(yè)中的商業(yè)應(yīng)用。新公司提供的復(fù)合材料組件和組裝件,可以比常規(guī)金屬設(shè)計減重達60%。公司宣稱熱塑性復(fù)合材料的制造工藝和時間以分鐘計算,而它所替代的熱固性復(fù)合材料則以小時計算。
Tri-Mack塑料總裁威爾·凱恩表示:“未來20年估計會需要35000架新飛機,而航空工業(yè)正將熱塑性復(fù)合材料視作一個可支撐如此增長率的高成本效率解決方案。PAEK熱塑性復(fù)合材料的有效加工和性能優(yōu)勢,加上先進的自動化制造技術(shù),將使我們滿足工業(yè)界的成本和重量挑戰(zhàn)。商用飛機使用數(shù)千個托架和系統(tǒng)連接附件,飛機上這些組件的總數(shù)量是可觀的成本和重量,尤其是它們由金屬或熱固性復(fù)合材料制造。PAEK基組件可以比常規(guī)熱固性復(fù)合材料更有效地制造。比起不銹鋼和鈦,它們可以顯著減重,同時提供同等或更好的力學(xué)性能,如強度、剛度和疲勞性能?!?/p>
GKN航空旗下??斯臼菬崴苄詮?fù)合材料的開拓者。公司的工程師近來使用該技術(shù)生產(chǎn)空客A380飛機的機翼前緣、里奧納多AW169直升機的水平尾段,達索和灣流新型公務(wù)機的方向舵和升降舵。GKN制造了灣流G650公務(wù)機的完整平尾,包括熱塑性方向舵和升降舵,組件比傳統(tǒng)材料減重25%。組件由感應(yīng)焊連接,取消了昂貴的鉆孔和鉚接工作。
??斯静少徍凸?yīng)鏈管理副總裁Toine Verbruggen表示:“降本是通過使用快速、自動化的熱塑性復(fù)合材料加工實現(xiàn)的。同時,重量通過設(shè)計薄壁結(jié)構(gòu)保持低重量,該結(jié)構(gòu)因熱塑性聚合物的性質(zhì)而極為堅韌。未來,更多主承力結(jié)構(gòu)零件將由這種創(chuàng)新材料制成,在未來航空項目中扮演重要角色?!?/p>
法國大合公司近來與波音簽署了一項合同,為787飛機提供熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)零件。這些組件將代替原本使用傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料制造的零件。大合航空航天與防務(wù)業(yè)務(wù)副總裁Nicolas Orance表示:“熱塑性復(fù)合材料技術(shù)在未來很有前途,可降低航空工業(yè)制造航空結(jié)構(gòu)的成本?!惫居媱澥褂米詣踊蜋C器人來優(yōu)化法國南特工廠的制造工藝。
打印塑料 復(fù)合材料的增材制造
增材制造也在改變塑料在航空工業(yè)中的使用。比如,Victrex已經(jīng)開發(fā)了新型PAEK牌號,可用于打印外形和尺寸復(fù)雜的飛行器組件。Victrex美國公司新興業(yè)務(wù)總監(jiān)羅伯特·馬基表示:“工程師想要同樣的材料、同樣的性能,可用于注塑成形和其他更成熟的制造方法。他們想要啟動PEEK的3D打印生產(chǎn),再無縫轉(zhuǎn)移到注塑成形,或者拿一個注塑成形的零件并用3D打印定制。在航空工業(yè)中,工程師想要能在所需環(huán)境中存活的聚合物,可能是一系列溫度和腐蝕化學(xué)品。他們還想要已經(jīng)服役多年經(jīng)證明的材料。”
法國Latecoere公司是飛行器艙門、機身和布線線束的供應(yīng)商,其工程師正使用熔融沉積成形來生產(chǎn)可代替金屬組件的塑料零件。公司研發(fā)和創(chuàng)新中心復(fù)合材料與增材制造經(jīng)理西蒙·里奧表示:“采用該技術(shù)對設(shè)計和制造來說都是轉(zhuǎn)型。增材制造已經(jīng)無縫集成到我們的設(shè)計和生產(chǎn)流程中,我們已經(jīng)享受到減少的生產(chǎn)準備時間、降低的成本和增強的運營效率?!?/p>
西蒙·里奧表示:“我們近來生產(chǎn)了一個3D打印的樣件,以驗證飛行器艙門內(nèi)飾襯板的配合和功能。之前,這要用鈑金件并通常很費時的工藝。而我們在2天就生產(chǎn)了一個具備完全功能的樣件,減少了95%的生產(chǎn)準備時間?!贝送?,Rieu及其同事還為空客生產(chǎn)了可以上天的聚醚酰亞胺零件,比如攝像頭外殼和空氣管外殼組件,比金屬的輕一半。
增材制造技術(shù)還讓某些航空公司可以創(chuàng)造定制設(shè)計的塑料零件,用于飛行器座艙。比如,阿聯(lián)酋航空近來使用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)了視頻監(jiān)視器罩和座艙通風(fēng)口網(wǎng)格護欄。零件用3D系統(tǒng)公司的Dureform ProX FR1200尼龍聚合物打印。公司工程保障服務(wù)副總裁Ahmed Safa表示:“該技術(shù)有潛力降低座艙零件重量,而不會破壞結(jié)構(gòu)完整性或外觀。使用3D打印還將帶來許多好處,包括數(shù)千飛行器座艙內(nèi)飾組件的更有效的庫存管理?!?nbsp;