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热塑性复合材料在飞机上的应用

第一篇：热塑性复合材料在飞机上的应用热塑性复合材料在飞机上的应用张磊杨卫平张丽ＴheapplicationsofThermoplasticmatrixCompositeonaircraft（中航工业一飞院，西安）摘要：阐述了热固性复合材料的缺点，分析了热塑性复合材料的优势，并介绍了其在国内、外军用飞机和民用飞机上的应用情况，指出了国内外的差距，最后对国内纤维增强热塑性复合材料的发展提出了建议。Abstract:Inthisstudyweanalyzedthedisadvantageofthermosettingmatrixcomposites,theadvantageofthermoplasticmatrixcompositesandintroducedtheapplicationsofthermoplasticmatrixcompositesonaircraft.Inadditionwepointedoutthegapandsummarizedtheresearchorientationofthermoplasticmatrixcomposites.关键词：热塑性、热固性、聚醚醚酮、聚苯硫醚、抗冲击性Keywords:Thermoplastic、Thermosetting、PEEK、PPS、impactresistance复合材料按树脂类型可分为热固性复合材料和热塑性复合材料。目前国内外飞机上，大量使用的复合材料为热固性复合材料，包括机翼、机身等主要承力构件。但是热固性复合材料通常采用热压罐生产工艺，成型时间长，而且在材料运输、存储、工艺准备、实施等方面要求都比较严格，因此生产成本比较高。另外热固性复合材料对冲击比较敏感，设计和使用时要重点考虑冲击对结构性能的影响。而热塑性复合材料在这些方面都有一定优势，所以近年来其逐步受到重视[1]。热塑性复合材料的优点与热固性复合材料相比，热塑性复合材料主要有以下优点：（1）韧性、损伤容限性能、抗冲击，抗裂纹扩展等性能较好。由于热塑性树脂分子链的运动能力比热固性树脂强得多，因此热塑性树脂的韧性普遍要高很多，有利于改善复合材料的抗冲击损伤能力。以碳纤维/聚醚醚酮(PEEK)树脂复合材料为例，其压缩后冲击强度（CAI）值高达342MPa，与第一代环氧复合材料170MPa，增韧环氧复合材料250MPa的平均水平相比，优势明显；（2）成型周期短，生产效率高，节约成本。热固性复合材料主要的成型方法是预浸料/热压罐工艺，热压罐固化消耗大量的能源和时间，增加制造成本，而热塑性复合材料的成型过程仅仅发生加热变软和冷却变硬的物理变化，只需升温、加压成型、冷却即可完成制备过程，可采用热压成型工艺，故成型周期短、生产效率高、成本低。另外，热塑性复合材料在材料运输、存储、工艺准备、实施等比热固性复合材料要求低，因此生产成本更低。两种材料生产制造对比见下表1；[2～5]表1热固性和热塑性复合材料对比属性热固性复合材料热塑性复合材料材料普通运输1、室温存储，一般库房即可；2、材料力学性能寿命无要求；3、工艺实施无特殊要求；1、材料无需回暖处理；2、预浸料或板材无需保护；3、材料准备在一般环境；1、预浸料CNC，板材水切割；2、材料可以回收利用；1、板材热压成型；2、无辅助材料，制造节拍5分钟1、脱模及完成零件制造；2、表面质量完好，无需打磨；3材料运输材料低温运输，并需要温度监控1、低温存储，-18℃以下存储；材料存储2、材料力学性能寿命，一般12个月；3、工艺性能寿命，一般240小时；1、材料回暖处理；工艺准备2、预浸料需要衬纸保护；3、材料准备需在净化间内完成；1、预浸料剪裁自动下料机；材料切割2、边角余料不可利用1、手工或自动铺叠；工艺实施2、真空加热固化，制造节拍8小时；1、裁真空袋、工装清理；后续处理2、表面有需打磨处理（3）实现结构减重。热固性复合材料的密度为1.7～2.0g/cm，而热塑性复合材料的密3度为1.1～1.6g/cm，密度较热固性复合材料小，因此，采用热塑性复合材料具有一定的减重优势；（4）具有重塑性，可以循环利用，提高零件的修理性，降低报废率，废料也可回收。热塑性复合材料在成形过程中是一个简单的相变过程(即熔融和凝胶)，可二次加工；（5）良好的耐热性能。以环氧树脂为代表的热固性复合材料长期使用温度最高可达130℃，而某些热塑性复合材料的长期使用温度可达250℃以上，并且耐水性极优，可在湿热环境下长期使用。例如：PEEK树脂的耐热性达220℃，用30%碳纤增强后，使用温度可提高到310℃，可用于某些特殊环境。因此，热塑性复合材料在飞机结构中的应用，可以缩短零件的制造周期，提高其结构的抗冲击性能，减轻结构的重量，减少飞机的生产和使用成本。国内外飞机应用情况自2