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C929如果选用热塑复材翼肋,将是一个耀眼亮点!

发布时间:2024-05-07  浏览人数:


目前复材机翼的民机有:波音 777X、787、空客 A350、A220、俄罗斯 MC-21。它们的翼肋全都是铝合金制造的。C929 的翼肋如果选用高温热塑复材制造,这就是一个亮点!

以前制造民机结构件,都是使用热固性环氧基材复合材料。由于翼肋主要承受剪力,热固性复材抗剪能力差,只得使用铝合金。
高温热塑树脂是指 PEEK(聚醚醚酮)、PAEK(聚芳醚酮)、PEKK(聚醚酮酮)。空客针对未来“新 A320”的复材机翼,组织了名为“明日之翼”的研发项目。该项目涉及 100 多项零件和制造技术。其中之一就是用高温热塑复材制造翼肋。未来“新 A320”机翼有 20 多个翼肋。最大的肋骨长 2 米,宽 1 米。承受的载荷从 1-50 吨。演示翼肋的制造工作,分别由法国 Daher(达尔)和英国 GKN 承担。
Daher(达尔)使用东丽(Toray)提供的单向(UD)碳纤维/低熔体聚芳基醚酮(PAEK)胶带。
GKN 使用 Solvay(索尔维,比利时布鲁塞尔)的 APC 碳纤维/聚醚酮(PEKK-FC)胶带,该胶带基于该公司的 Novaspire PEKK-FC(FC)快速结晶配方。

Daher 明日之翼肋骨,完成图为明日之翼阵容中的五根肋骨。材料为 Victrex 和Toray Advanced Composites 提供的碳纤维/PAEK。每个肋都是冲压成型的,然后修剪到最终的尺寸和尺寸。法兰为“L”形或“T”形。图片来源:达尔


Daher 生产了热塑性复合材料翼肋,以证明与金属翼肋相比,其重量、成本和交付周期都有所节省。
这些热塑性飞机翼肋由 GKN Aerospace 为空中客车“明日之翼”演示机制造。图片来源:GKN Aerospace
Daher 与 GKN 使用不同热塑基材聚芳醚酮( PAEK)胶带在 305°C 下熔化;而聚醚酮酮(PEKK)胶带在 340°C 下融化。
聚芳醚酮( PAEK)具有更好的流动性,而且可以以比 PEKK 和 PEEK 更高的速度进行加工。成本也更低。
聚醚醚酮( PEKK ) 是一种新兴的替代聚醚酮(PEEK)的高性能碳纤维(CF)增强复合材料基体。玻璃化转变温度 162°C(323.6°F),熔融温度约为 400°C,结晶速率慢。它有 2 个酮和 1 个醚。酮键更具柔性,这增加了所述聚合物的柔性。这意味着 PEKK 的玻璃化转变温度(聚合物开始软化的温度) 和熔融温度更高。具有高机械强度、耐高温、耐疲劳 和低易燃性。在 PEKK 的情况下,这种热塑性塑料更 耐化学流体,具有良好的介电稳定性,并且不会排放有毒烟雾。
PEKK  中不同的对苯二甲酸/ 间苯二甲酸含量(T/I 比)导致不同的结晶动力学和性能:由于材料的熔融温度和粘度,较高的T/I 比将需要更高的加工温度,但与 T/I 比较低的 PEKK 相比,结晶动力学更快。高 结晶度是性能所需的,因为这提高了材料的强度、刚 度、韧性和耐化学性。
在纵向拉伸、纵向和横向压缩以及平面内剪切下表现出优异的强度。它还表现出比 CF/PEEK 更好的界面剪切强度(IFSS- interfacial shear strength),这有助于其卓越的强度,因为在平面内载荷下,损伤通常在纤维-基体界面处开始。从文献中采用的不同分析模型的预测与实验相比是有利的,这些模型评估了纤维-基体粘附力对平面内强度的影响。在循环剪切试验中, CF/PEKK 表现出更为平缓的刚度降低和较低的剪切塑性,直到 5%的剪切应变,表明基体具有更高的耐损伤性。相对于 CF/PEK,CF/PEKK 表现出优异的层间剪切强度( ILSS- interlaminar shear strength )和 I 型断裂韧性(GIC- I fracture toughness),但类似的 II 型断裂韧性(GIC-II fracture toughness)。高 GIC 是由于其固有延展性基质和高 IFSS 之间的协同作用,而 ILSS 与 IFSS 密切相关。总的来说,CF/PEKK 提供了更好的强度和韧性组合,超过了 CF/PEEK 。冲击后压缩强度( CAI- Compression after impact)达到 337 MPa(48.9 ksi )。PEEK 具有优异的机械性能和良好的强度重量比,使其成为某些金属的良好替代品。
综上,未来“新 A320”的翼肋,选用碳纤维/聚醚酮酮复合材料制造的几率很大。关于 PEKK(聚醚酮酮)PEKK 最初由杜邦公司于 20 世纪 60 年代(1960-1969)为阿波罗公司开发太空计划,研发的高温热塑性树脂。经过交易、转让,现在制造技术由比利时索尔维(Solvay)和法国阿科玛(Arkema)拥有。商品代号:前者是 KetaSpire® PEEK,后者是 Kepstan®PEKK。东丽(Toray)和赫氏(Hexcel)生产的碳纤维/聚醚酮酮 复合材料,基材均是 Kepstan®PEKK。

庆幸的是我国山东凯盛,自主研发的 PEKK 已经具备一定的生产能力。凯盛成为全球生产聚醚酮酮(PEKK)第三厂家。

编后感言

      C919 在机体选材上,虽然用到铝-锂合金。但它仍然是金属飞机。波音 787、空客 A350 号称复合材料飞机,但它们 60 多个机翼翼肋,却是锂合金制造的。现今,高温、高强度热塑复材,已经在民机制造行业崭露头角。用它代替铝合金制造翼肋,已经是不争的事实。

     C929 对标波音 787、空客 A350,如果翼肋选用高温、高强度热塑复材,无疑将是一个耀眼的亮点!