对于航空制造业来说,机翼结构树脂灌注工艺并不是一项新技术,目前已经有两款商用飞机使用了这种制造方法:空客A220和伊尔库特MS- 21,均为单通道飞机。A220前身是由庞巴迪公司开发的C系列公务机,于2018年出售给空客公司。该机的树脂灌注机翼由庞巴迪公司位于北爱尔兰贝尔法斯特的工厂制造(庞巴迪公司于2019年10月将该工厂业务出售给斯普利特航空系统公司,收购正在进行中)。俄罗斯联合飞机公司正在为俄罗斯市场生产MS-21。其机翼由俄罗斯航空复合材料公司制造,使用的是索尔维公司提供的单组分树脂体系。空客A220和MS-21的例证表明,树脂灌注成型对商用飞机而言是可行的, 但是这两款飞机的树脂灌注速度都相对较慢。该技术必须进一步成熟到可以满足高速率制造的要求。树脂灌注成型主要应用对象是机翼。
由于单通道飞机机身厚度比双通道飞机薄,因此多年来,航空制造业一直难以判断复合材料是否适用于单通道飞机的机身。如果使用现有的复合材料和工艺制造更薄的蒙皮,机身的成本和重量均难以承受。因此,找到一种能够提供轻薄机身且成本恰当的复合材料及工艺组合,是单通道飞机应用复合材料机身所面临的最大挑战。热塑性复合材料则瞄准机身结构作为主要应用对象。
在欧洲,这项工作正通过“洁净天空2”计划中的“下一代多功能机身验证”(MFFD)项目进行推进。该项目旨在最大限度地减少结构紧固件应用,增加机身、系统、货舱、机舱的一体性和集成度。热塑性复合材料可以通过焊接工艺满足上述要求。GKN Fokker公司是开发热塑性航空结构最活跃的公司之一,它们在2019年JEC复合材料展览中展示了为湾流航空公司制造的热塑性复合材料机身面板。该面板具有互连的网状焊接结构,体现了MFFD项目中所设想的多功能性。这表明该技术正逐步迈向成熟,有望在单通道商用飞机中应用。
特别是波音公司正努力将尺寸不大的结构部件(支架、夹具、紧固件等) 由热固性复合材料转化为使用热塑性复合材料。专门从事连续压制成型的热塑性复合材料专家ATC制造公司, 正在领导这项工作。除了机身,热塑性复合材料已经在现役飞机其他结构中取得重要应用进展。
来自英国的树脂制造商Victrex推出了一款名为PAEK AE250的低熔点聚芳醚酮(PAEK)树脂,可在生产线中预浸碳纤维带和层压板,在复合材料行业中引起轰动。目前航空制造业中广泛使用的热塑性复合材料主要树脂成分为聚醚醚酮(PEEK),其熔融温度为350℃,而PAEK的熔融温度仅为305℃,对于热塑性复合材料来说,降低基体的熔融温度意味着可加快材料的加热/冷却周期,缩短循环时间,提高制造效率。利用这种温度的差距,可实现在PAEK层压板上注塑成型PEEK基结构,如肋条、固定夹等。索尔维公司于2019年9月宣布扩大其在美国加利福尼亚州阿纳海姆工厂的产能。该工厂主要生产用于PEEK、PEKK或PAEK树脂预浸的碳纤维单向带。自2016年以来,不断地扩建和工艺流程的持续优化,已经使该工厂的产能提升了4倍。在热塑性复合材料的原材料方面,欧洲也取得了最新进展。
3、传统的热固性复合材料仍有发展空间
尽管热塑性复合材料技术发展热度持续升温,但热固性复合材料目前仍然是生产大尺寸 机身面板的主力军。斯普利特航空系统公司在2019年的巴黎航展中推出了其最新研发用于单通道飞机的ASTRA(先进结构技术和革命性结构)机身面板。为开发这款面板, 斯普利特公司研发了一种名为“薄板桁条技术”的新机身设计。斯普利特公司表示,与现有的结构和生产方法相比,ASTRA可以节省30%的成本, 并且可满足每月60件的出货速度。通过物理性能详细测试,ASTRA机身满足了对单通道飞机的所有强度和刚度要求。与斯普利特类似,虽然尺寸较小, 西班牙MTorres公司在巴黎航展上展出了另外一种肋条增强“网格/蒙皮结构”。该结构是通过树脂浸渍干碳纤维制成的。一旦在工装中制造了肋条, 就可以通过AFP/ATL工艺在其上铺放蒙皮结构,然后再将结构整体固化。
新兴航空市场发展有助于复合材料行业持续增长
航空制造业在未来20年对于新飞机的需求量仍然是较大的,不仅如此, 一些新兴航空市场的出现,也对先进复合材料技术发展的推动作用明显。
1、超声速飞机“归来”,先进复合材料是应用关键