近日,德國宇航中心(DLR)與PremiumAEROTEC公司、空客公司以及Aernnova合作,生產(chǎn)并成功交付了由碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料制成的飛機(jī)機(jī)身部件——“多功能機(jī)身演示器”。
該部件的復(fù)合樹脂采用了LMPAEK(低熔點(diǎn)聚芳醚酮),其相較于鋁制組件輕了將近1噸。此外,該部件使用了全新的生產(chǎn)和裝配技術(shù),不僅能實(shí)現(xiàn)降低成本和資源節(jié)約,同時(shí)還最大限度地減少了能源消耗。
何為“多功能機(jī)身演示器”?
多功能機(jī)身演示器(MFFD)于2014年構(gòu)思,是歐盟資助的清潔天空2號(hào)倡議中的三個(gè)大型飛機(jī)演示器之一,旨在推進(jìn)歐洲的創(chuàng)新技術(shù)、飛機(jī)可持續(xù)性和有競(jìng)爭(zhēng)力的供應(yīng)鏈。
在2017年發(fā)布時(shí),MFFD計(jì)劃建造一個(gè)8米長、4米直徑的機(jī)身段,完全由碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)制成,能夠每月生產(chǎn)60-100架飛機(jī),機(jī)身重量減少10%,經(jīng)常性成本降低20%。
通過MFFD,DLR成功生產(chǎn)了世界上最大的由碳纖維復(fù)材制成的飛機(jī)部件。該項(xiàng)目開發(fā)的技術(shù)成熟度顯著提高,且生態(tài)足跡非常低。
在成功交付后,該部件目前正被運(yùn)送到位于施塔德的弗勞恩霍夫制造技術(shù)和先進(jìn)材料研究所,在那里它將與來自荷蘭的下殼(STUNNING項(xiàng)目)連接起來,在今年年底前形成完整的機(jī)身外殼部分。隨后,空客公司將在漢堡應(yīng)用航空研究中心對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行最終驗(yàn)證。
CF/PEEK好在哪?
碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料,指碳纖維以短碳纖維(SCF)、長碳纖維(LCF)和連續(xù)碳纖維(CCF)或者織物形式增強(qiáng)PEEK樹脂基的復(fù)合材料。純PEEK本身是一種特殊的工程塑料,具有抗輻射、自潤滑、耐高溫、耐磨損、抗疲勞等特點(diǎn)。經(jīng)過碳纖維增強(qiáng)的PEEK材料性能比純PEEK材料在諸多方面都有提升。
1. 復(fù)合材料性能大幅增強(qiáng)
30%的短碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料在室溫下,拉伸強(qiáng)度比未增強(qiáng)時(shí)增加至少1倍,在150℃下達(dá)到3倍,而聚丙烯氰基連續(xù)碳纖維以帶狀單項(xiàng)預(yù)浸增強(qiáng)聚醚醚酮材料在室溫下拉伸強(qiáng)度是未增強(qiáng)聚醚醚酮材料的20倍。
同時(shí)增強(qiáng)后的復(fù)合材料在沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和模量方面也得到了大幅度的提升,伸長率急劇降低,熱變形溫度可超過300℃。復(fù)合材料的沖擊能量吸收率直接影響到復(fù)合材料在承受沖擊時(shí)的表現(xiàn),碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮PEEK復(fù)合材料顯示出高達(dá)180kJ/kg的比能吸收能力。
碳纖維的增強(qiáng)在一定程度上抵御PEEK的熱軟化,形成強(qiáng)度非常高的轉(zhuǎn)移膜有效地保護(hù)接觸區(qū)域,所以碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮PEEK復(fù)合材料的磨損率明顯比純PEEK要低。碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料用于零部件制作,可以有效避免金屬或者陶瓷材料容易產(chǎn)生表面裂紋等這類問題,其優(yōu)良的摩擦學(xué)性能甚至超過超高分子量聚乙烯。
2. 低熔點(diǎn)的PEEK更易加工
對(duì)于高溫條件下剛度和強(qiáng)度要求較高的應(yīng)用來說,其所需的玻璃化溫度也較高,因?yàn)楫?dāng)溫度高于玻璃化溫度時(shí),聚合物即可從堅(jiān)硬的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳浀母邚棏B(tài)。而更高的熔點(diǎn)意味著聚合物必須在更高的溫度下加工。
通常情況下,PAEK的加工溫度要比熔點(diǎn)高30-60°C。而實(shí)際上,如果溫度遠(yuǎn)高于430°C,加工熱塑性塑料就會(huì)變得困難。
為了解決這個(gè)問題,行業(yè)龍頭威格斯開發(fā)出了LMPAEK(低熔點(diǎn)PAEK),這些聚合物的Tm:Tg比通常較低,為1.35。這意味著熔點(diǎn)和加工溫度降低了約40°C,加工條件進(jìn)一步降低。
國產(chǎn)飛機(jī)應(yīng)用情況
在今年五月份首飛的C919國產(chǎn)大飛機(jī),同樣使用了碳纖維復(fù)材。C919大型客機(jī)是國內(nèi)首個(gè)使用T800級(jí)高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的民機(jī)型號(hào)。相比T300級(jí)材料,T800級(jí)材料強(qiáng)度、模量更高,韌性更強(qiáng),具備更好的抗沖擊性,C919上受力較大的部件,如后機(jī)身和平垂尾等都使用了T800級(jí)碳纖維復(fù)合材料。
T300屬于第一代民機(jī)復(fù)合材料,其樹脂基體為未增韌的脆性環(huán)氧樹脂基體,增強(qiáng)纖維為T300碳纖維,其拉伸強(qiáng)度約為3.5GPa,拉伸模量約為230GPa。T300呈現(xiàn)脆性材料性能特征,對(duì)沖擊載荷引起的分層損傷比較敏感,因此只能用于受力不大的次承力結(jié)構(gòu)。C919上使用的T800材料采用增韌環(huán)氧樹脂基體,增強(qiáng)纖維為T800碳纖維。拉伸強(qiáng)度和拉伸模量較T300提高50%左右,也是目前國際上民機(jī)主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料。
近年來在航空領(lǐng)域,碳纖維作為21世紀(jì)新材料之王”已經(jīng)成為各大公司制造飛機(jī)時(shí)的必要選項(xiàng)。
現(xiàn)實(shí)情況是,目前國外軍機(jī)上碳纖維復(fù)合材料用量約占機(jī)重的20%—50%,而我國最先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)殲-20的含碳量也僅在20%左右,低代機(jī)型的碳纖維含量就更低了。在民用飛機(jī)領(lǐng)域,波音787和空客A350中的碳纖維復(fù)合材料用量占比已經(jīng)達(dá)到50%以上,我國國產(chǎn)客機(jī)C919的碳纖維復(fù)合材料占比則只有約12%。
2005年之前,中國軍用和民用碳纖維幾乎全部依賴進(jìn)口,而現(xiàn)在,國內(nèi)基本能夠滿足40%的市場(chǎng)需求。踉踉蹌蹌,跌跌撞撞,但終究還是完成了從無到有、從有到大的突破。
龍頭企業(yè)正逐步打破國外技術(shù)壟斷。經(jīng)過長期的技術(shù)積累,我國以吉林化纖、中復(fù)神鷹、寶旌、新創(chuàng)碳谷、恒神股份、光威復(fù)材等為代表的國內(nèi)碳纖維龍頭企業(yè)正逐步打破國外技術(shù)壟斷,產(chǎn)能規(guī)模不斷擴(kuò)張,部分企業(yè)產(chǎn)品性能與國際龍頭比肩。
來源:半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備公眾號(hào)