復材·復合材料機身民機最新復材技術(shù)

herahera 2019-06-27

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這里的機身說的是單通道、窄體、100座以上的民機的機身。目前這類民機有空客A320、波音737、商飛C919、俄羅斯MC-21以及空客A220（原加拿大龐巴迪的C系列飛機）。

表1. 部件使用的材料

波音787和空客A350投入航線快十年了。航空公司和廣大乘客都感受到碳纖維復合材料帶來的福祉。民機使用復合材料已經(jīng)成為衡量先進與否的重要標志之一。特別是機身使用復合材料被譽為民機工業(yè)的“革命”。

現(xiàn)A320和B737盡管機翼、機身都是用金屬制造。但這種大小的飛機銷路十分火爆，是這兩家飛機制造公司的拳頭產(chǎn)品、也是搖錢樹。近些年其他公司新研發(fā)的飛機，僅機翼使用了復合材料。她們還不能對A320和B737的市場構(gòu)成嚴重的威脅。因此，空客和波音對用復合材料制造機翼和機身的方案，遲遲沒有啟動。沒有啟動不等于不做工作。今年巴黎復合材料展會和航展，以及近期有關(guān)復合材料報道的文章，都清晰地看到空客和波音在A350和787投產(chǎn)后，結(jié)合它們的經(jīng)驗，一直在研究如何把復合材料更好地應用在單通道民機上。雙方都想在用復合材料制造機翼、機身的單通道民機上，再爭高下。如，東麗為波音研發(fā)的、制造受力結(jié)構(gòu)的、新型樹脂基碳纖維復合材料預浸料：T1100/3960。同時還展出了蒙皮、長桁、大梁集成的尾翼組件試驗件?？湛秃退暮献骰锇橐碴懤m(xù)發(fā)表了，在“明日之翼”項目合作研發(fā)的一些成果。“明日之翼”明確地表示，替代A320的新型號民機，機翼將是蒙皮、長桁、大梁集成的結(jié)構(gòu)。同時要采用滿足生產(chǎn)進度需求的樹脂注入工藝。最近為空客和波音制造大部件的SpiritAeroSystems公司，公布了制造新一代單通道民機機身的創(chuàng)新方案。新機身創(chuàng)新壁板造使用新材料/新工藝結(jié)合，集成制造蒙皮和長桁，節(jié)約成本30%（圖1.）。

圖1. 在巴黎航空展上首次亮相的5.5×3.7米的展示機身板組件

在巴黎航空展上首次亮相的5.5×3.7米的展示機身板組件，集成了蒙皮和長桁，并提供了可觀的成本節(jié)約和強大的性能。

創(chuàng)新材料

新機身創(chuàng)新壁板造使用新材料/新工藝結(jié)合，集成制造蒙皮和長桁，節(jié)約成本30%。制造蒙皮、長桁所用的材料是，東麗新研發(fā)的環(huán)氧樹脂基碳纖維復合材料T1100/3960。

制造長桁用預浸3960基材樹脂的QISO?準各向同性織物（又叫無卷曲織物 - NCF）。
制造蒙皮用T1100/3960預浸基材樹脂的碳纖維無捻紗帶。

T1100是2017年東麗引入市場的。它不但提高了強度，而且還提高料模量。它是介入中模量（IM）和高模量（HM）之間的一種新纖維，被稱為IM 纖維。

T1100碳纖維使用了東麗定量技術(shù)，達到精細級控制纖維結(jié)構(gòu)。結(jié)果是顯著的性能改進超過東麗的其他碳纖維，見表2.和表3.。

表2. 碳纖維強度性能數(shù)據(jù)

表3. 碳纖維性能范圍

東麗下一代3960預浸料系統(tǒng)展示了航空材料性能的下一個飛躍。它使用“納米-合金-基礎(chǔ)”的技術(shù)，以實現(xiàn)拉伸強度和抗壓強度。3960樹脂系統(tǒng)與先進的T1100碳纖維的互補配對（Complementary pairing），為未來的材料提供了無與倫比的性能。高韌性，卓越的抗拉性能，以及保持121°C(250°F)的熱濕性能，使3960系統(tǒng)成為航空航天工業(yè)未來需求的明確選擇。

T1100/3960它比其廣泛使用的前輩—東麗的T800S/3900預浸料—提供了20%以上的剛度，但沒有通常伴隨剛度增加而出現(xiàn)的強度下降。（T800S/3900-2B是波音787機身、機翼，以及波音777X機翼使用的材料。）

T1100/3960的抗拉強度為3797 MPa，抗拉模量為173GPa，（T800S/3900-2B抗拉強度為2960 Mpa，抗拉模量為153 GPa。飛機使用的高強度鋁合金7075拉伸強度為510Mpa，抗拉模量為71GPa。）

T1100/3960不用熱壓罐，在高溫爐中固化。

T1100/3960不僅適用于自動鋪絲機（AFP）,還適用于手工鋪鋪放。

QISO? 準各向同性織物（圖2.）是A&P技術(shù)公司(美國俄亥俄州辛辛那提市)的產(chǎn)品（用哪種纖維沒查到）。

圖2. 準各向同性織物

創(chuàng)新工藝

圖3. 機身長桁的演變

從圖3.清晰地看出，復合材料長桁改變了原金屬長桁的剖面。與蒙皮連接不再用鉚釘，而是共固化或者共膠接。這兩類長桁都是事先在長桁制造車間制造好的。

創(chuàng)新機身壁板長桁不再是單獨預先制造出來。長桁由碳纖維QISO?準各向同性織物預浸片制成。先將預浸片放置在開槽的機身模具表面。然后，使用真空成型，預浸片被拉入長桁圓弧凹槽，形成具有長桁圓弧凹槽波紋的長桁板。接著，就像波音787或者A350機身中段曲面板所做的一樣，用自動鋪絲機（AFP）鋪放T1100/3960纖維帶，制造機身蒙皮。再在熱壓罐中固化。結(jié)果是機身蒙皮具有連續(xù)的內(nèi)表層，并具有完全集成的長桁。創(chuàng)新工藝最突出的亮點是：

長桁和蒙皮集成制造；
蒙皮內(nèi)表面貼合著一層無縫QISO?準各向同性織物；
無排氣充氣囊系統(tǒng)；
長桁剖面是圓弧狀。

模具型面使用雙馬來酰亞胺(BMI)碳纖維復合材料。型面與支撐結(jié)構(gòu)之間采用浮動連接。

板件制成后，SpiritAeroSystems公司與威奇托州立大學的國家航空研究所(NIAR)合作，開始了一項測試工作，旨在評估蒙皮和長桁板的不同纖維組合。該公司測試了抗沖擊、強度、疲勞、環(huán)境沖擊、雷擊、FST(火焰、煙霧、毒性)和損傷容限。測試的結(jié)果，達到了公司的目標厚度。

鋪放碳纖維帶使用Electroimpact公司 (Mukilteo, 華盛頓州)自動鋪絲機（AFP），該機器可操縱鋪放放門開口周圍的圓角（圓角半徑6英寸- 152.4毫米）。

SpiritAeroSystems公司雖然展示的創(chuàng)新材料和工藝，最適合基于曲面板的機身結(jié)構(gòu)（類似A350），但是它也可以適用于基于整體桶的機身結(jié)構(gòu)(類似波音787)。此外，該公司還開發(fā)了一套制造生產(chǎn)線，稱其可以滿足單通道項目每月60架次的需求。

編譯感言

? 在介紹T1100/3960資料特別用到纖維與基材樹脂“互補配對”（Complementary pairing）一詞。這一點對國內(nèi)研發(fā)復合材料十分重要。

? 圖1所示的創(chuàng)新機身板件中，蒙皮和10根長桁共固化后，成為一個零件。兩個復合材料框是在板件的裝配夾具中安裝的。框與蒙皮通過剪切角片與用鉚釘連接。

? 創(chuàng)新機身壁板的確適合，由曲面板組合的機身結(jié)構(gòu)。它要用于整體筒結(jié)構(gòu)的機身，想像中還有問題。需要進一步跟蹤、研究。

? Spirit在文章中還沒有披露空客、波音，到底是用曲面板組合的機身結(jié)構(gòu)，還是整體筒的機身結(jié)構(gòu)。

? 單通道民機機身（包括機翼）使用復合材料，一個共識是，在成本控制的前提下，“要有鋁合金的制造速度，又要有復合材料的優(yōu)越性能”。固化時間是一個重要因素。文章中還沒有固化時間。

? 單通道民機機體重量在23噸左右。如果機翼、機身使用復合材料，再加上尾翼用的復合材料，復合材料用量占機體重量的50%左右，即11.5噸。新型號民機目標產(chǎn)量是每月60架，這也就是說每月需要600多噸碳纖維復合材料。

? SpiritAeroSystems(美國堪薩斯州的威奇塔)她收購了，波音公司在威奇塔的飛機部件制造廠。目前是世界第一大的飛機部、組件制造公司。其中最突出的是：目前她每月至少要向波音公司737在西雅圖的倫頓總裝廠，提供50個737整機身。737整機身用火車，由威奇塔運輸?shù)絺愵D總裝廠（圖.4）。每月至少向波音787總裝廠交付16-17架787機頭段。機頭段用飛機運輸（圖.5）。

另外，在美國北卡羅來拉州的金斯頓新建復合材料部件制造工廠。專門為空客生產(chǎn)A350的中機身復合材6塊料曲面板（圖.6）。帶框的曲面板空運到法國圖魯茲的總裝廠。

Spirit AeroSystems 還參加了空客的“明日之翼”項目的研發(fā)工作。