一、热塑性复合材料的民机应用潜质
以聚苯硫醚（PPS）,聚醚酰亚胺（PEI）, 聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）为基体的先进增强热塑性复合材料（TPC），具备高刚度、低加工成本和重新加工能力，拥有良好的阻燃、低烟和无毒（FST）性能，固化周期可以以分钟记，且其成形过程是天生的非热压罐工艺。这些固有属性使其成为轻质、低成本航空结构的理想材料。为西科斯基公司直升机提供大型热塑性复合材料地板的纤维锻造公司提供了如下一组数据：热塑性复合材料比钢轻60%，硬度是其6倍；比铝轻30%；比热固性复合材料强韧2倍；比注射模塑塑料硬5倍；在生产中比板材少60%碎屑。
上述性能特点和数据对比表明，热塑性复合材料是一种天生的航空结构材料，并且在民机应用上拥有巨大的潜质，甚至可能在未来为航空复合材料制造带来一场热塑性革命。
二、欧盟“热塑性经济可承受性航空主结构”项目
欧盟框架研究计划中的“热塑性经济可承受性航空主结构”（TAPAS）项目于2009年启动，目的是为空客公司开发TPC平翼扭矩盒和机身结构，进一步增加TPC在当前和未来飞机上的应用比例，如A320neo客机。项目将分为两个阶段，在2017年完成，目标是两个构件的材料、制造工艺、设计概念和模具设备分别达到技术成熟度6级和4级。技术难点包括：开发和验证适合的材料，“对接接头”连接，制造技术，如纤维焊接、压力成形和纤维铺放。
图1 热塑性平尾壁板验证件
TAPAS项目的成员包括空客、荷兰福克航空结构公司、TenCate先进复材公司、Technobis纤维技术公司、荷兰热塑性复材公司（DTC）、KVE复材集团、机载复材公司、KE工厂公司、CODET公司、荷兰国家航空实验室（NLR）、Delft技术大学和Twente大学等。
项目的第一阶段已于2013年完成，采用碳纤维/PEKK材料开发主承力结构，项目制造的TPC平尾扭矩盒和机身验证件分别达到了技术成熟度5级和3级。TPC平尾扭矩盒基于G650的垂尾中央部分重新设计，展长12m，其中，蒙皮厚度从2mm~8mm之间变化，采用单向预浸带制造。福克航空结构公司采用一种利用焊接的“对接接头”方式在蒙皮上集成了T型加强筋，据称这在制造工艺、成本和重量上都是革命性的。由于TPC固有的韧性能更好地阻止裂纹扩展，能够将蒙皮设计得更薄，因此与热固性复合材料构件相比，该扭矩盒减重10%。TPC机身验证件长4m，双曲面外形，其中加强筋长3m，厚度从2.48~5.50mm之间变化。DTC公司开发了该机身加强筋，及其制造工艺：数控切割TPC材料，机器人铺放，真空预固化，自动运输，压力成形，整个过程仅需15min。
图2 热塑性机身壁板验证件
项目的第二阶段于2014年初开始，将继续提升TPC扭矩盒和机身的技术成熟度，使其获得市场的关注。对于扭矩盒的研究，接下来将开发可获应用认证的材料和工艺；开发一个能够存放燃油的“湿”盒；使用将梁与蒙皮焊接起来的一种结构。对于机身的研究，主要挑战在于控制蒙皮厚度，特别是对于A320neo或者737max这样的单通道客机，韧性的TPC薄蒙皮结构固然更合适，但其厚度极限需要验证，尤其是考虑到如冰雹撞击或维修工具冲击下的局部载荷作用。
福克航空结构公司在TAPAS项目之外还开发了几个验证件：TPC带筋翼面壁板、TPC正弦梁、TPC带筋机身壁板。采用“对接接头”连接T型加强筋的TPC翼面壁板比碳纤维/环氧材料减少了15~30%的成本。正弦梁采用碳纤维/聚醚酮酮（PEKK）材料，其设计制造也得益于“对接接头”的开发，使该结构比简单I型梁具备更高硬度和抗弯性，而热固性复合材料难以快速、经济地制造这样的结构。机身壁板由碳纤维/聚醚醚酮（PEEK）材料制造，在阴模中铺放，先铺垂直筋条，再自动铺放蒙皮，随后蒙皮和筋共固化，最后使用感应焊技术把水平框架和壁板连接起来。
图3 热塑性机身壁板验证件
三、法国“热塑性弓形盒”项目
Stelia航宇公司通过法国民用航空研究战略咨询委（CORAC）平台，承担了“热塑性弓形盒研究与技术”（Arches Box TP）项目（2015-2017），并每年投资2500万欧元。目前飞机复合材料机体结构主要采用热固性复合材料，热塑性复合材料是有力的竞争对手。项目既是一个技术上的挑战——比热固性树脂基复合材料低得多的成熟度水平，也是一个经济性问题——下一代单通道飞机必须比之前采用金属技术的要更具成本竞争力。
Stelia航宇公司在巴黎航展上展出了一个全尺寸热塑性机身验证件，以允许针对下一代单通道飞机使用高性能热塑性复合材料进行内部评估。验证件拥有主要的机身结构的所有典型特性，如薄蒙皮、闪电防护、桁条和框，能够在一个真实的工业环境下对这些技术进行详细评估。
图4 热塑性机身验证件
Stelia负责设计，使用热塑性碳纤维带材料和闪电防护结构，利用自动丝束铺放（AFP）和非热压罐（OOA）固化工艺制造了验证件蒙皮，之后在法国的研究与技术中心进行最终的结构装配。公司选择了法国热塑性复合材料的顶尖供应商来提供互补的技术包，如：热塑性桁条的机器人动态感应焊，桁条和框的快速压模，用包模的短纤维和长纤维制作混合热塑性结构。
博舍工业集团为Stelia航宇公司供应了材料，技术团队利用Pipreg热塑性材料解决方案开发了一个有机板，基于初始的Stellia规格，这是用于框的最佳材料。聚醚酮酮（PEKK）基的Pipreg层压板加上特定的碳加强件，可从低温到非常高的温度下都展现出卓越的力学和疲劳性能。博舍Pipreg层压板满足项目所有的试验、工程和加工目标，Stelia使用它生产了验证件上所有的复合材料框，并且引入到一个包模的舱门组件上。
热塑性复合材料巨大的应用潜力将不停驱使航空制造商将更多的部件设计为热塑性结构，相关的研究也还将持续不断地产出新成果，这都将进一步提升热塑性复合材料在民机上的应用比例。也许，热塑性复合材料就像低温固化热固性复合材料一样，将曲折但坚定的发展，并在未来由量变转为质变，攻克大型民机的主承力结构，实现广泛而深层次的应用。目前，我国热塑性复合材料研究还处于实验室研究阶段，未进行系统的大型原型件验证，技术成熟度较低，与国外存在较大差距。因此，我国应加强在该领域的技术研究和验证，为迎接航空复合材料热塑性结构革命做好技术储备。
（航空工业发展研究中心 刘亚威）
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