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航空航天复合材料仍然至关重要

[据复合材料制造网站10月22日报道]英国威格斯公司近期面向航空航天领域推出一种新型单向带和层压板复合材料——“VICTREX
AE250复合材料”,采用该种基于热塑性聚芳醚酮的复合材料解决方案的优势在于,更为合理的设计可缩短制造周期、节约成本,并减少安装时间。与铝合金、不锈钢和钛合金等金属材料相比,VICTREX
AE250复合材料表现出重量更轻的优势,在某些情况下减重可达60%,从而可大幅提高燃油效率,并减少CO2排放。此外,与金属材料相比,该种复合材料的强度要高出5倍,能够满足在负载条件下工作的连续增强型零部件的制造需求,如可用于整个飞机一级和二级结构的支架、夹子、卡箍、和外壳等。威格斯公司航空航天业务部总监Tim
Herr表示,该种新型热塑性聚芳醚酮复合材料制备工艺与注塑成型工艺混合,可制造出迄今为止还未能制造出的复杂结构复合材料零部件。这种混合成型工艺的主要优势包括:减少成型周期次数、降低能源需求、以及避免废料和二次操作,从而有助于降低系统总成本,这是航空业优先考虑的要素,能够使飞机更快地从装配线下线并具有更好的成本效益。分析人士认为,未来20年中,对此有需求的飞机数量将超过35,000架,以取代老化的机队,满足民用飞行的需求。实现上述目标的一个关键要素是,用新一代热塑性塑料取代金属和热固性材料。从概念到最终的零件,客户在与威格斯公司就新一代热塑性塑料部件展开合作的过程当中,能够在各个方面都取得显著成就,如降低成本、减轻重量、提高设计自由度、增加强度和加快生产速度等。所有这些因素对于飞机制造商和各级供应商而言,都变得越来越重要。与热固性解决方案相比,采用非热压罐法,可以更快地对PAEK复合材料进行加工,且完全可以再回收利用。与热固性材料相比,该种新型复合材料具有更佳的损坏容限和更强的耐化学性、抗疲劳性以及FST性能,且强度和刚度与热固性材料相当。而与金属材料相比,耐腐蚀性、加工速度和保温性能得到提高,且抗冲击性和损坏容限也会相应提高。另外,VICTREX
AE250复合材料的主要特点还包括:优异的高温性能和热稳定性、对各种航空液体和气体的耐化学性、以及良好的耐水解性和耐腐蚀性等。

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Dale
Brosius是复合材料世界的专栏作家,其近期发表专栏文章,认为虽然未来复合材料在汽车、能源和电子等工业领域的应用比例会越来越高,但航空航天复合材料仍然至关重要。Brosius认为,目前航空航天复合材料仍然采用20年前的碳纤维,尽管这大部分原因应该归结于开发一种新型增强体材料需要特定的周期和消耗。虽然大部分的进步都没有被重点关注,但先进复合材料的其他方面在持续推进。

[www.602.net ,据美国设计新闻网站2011年11月下旬报道]复合材料用于民用飞机获得减重及节省燃油已有几十年,但飞机制造商仅在最近才开始将其用于主承力结构。波音787是首架在主承力构件,特别是在机翼及机身上大量采用复合材料的民用运输机。尽管最近美国政府问责署的报告高度关注其可维修性,但已对这种材料在其服役期内的性能开展了大量研究。

在过去10年,航空航天工业是设计创新和技术引入的时代,从空客A380开始,跟着波音787和空客A350。但是重要的改变正在来临。我们正进入一个新时期,不再关注上述这些而是“更快、更便宜、更快”的主题。过去的10年是创新,下一个10年将是生产率,这一改变将需要来自航空航天供应商的不同成功因素。

碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能,与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中,是唯一强度不下降的物质。此外,其还兼具其他多种得天独厚的优良性能:低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。因此,碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域,在航空航天领域的光辉业绩,尤为世人所瞩目。2005
年世界碳纤维的耗用量已超过2 万吨,图1 为21
世纪前十年碳纤维需求量的统计预测情况。航空航天领域的碳纤维需求情况见表1
所示,约占总消耗量的20%左右。

复合材料在航空航天领域有大量的应用,在特定应用部件,能够替代的金属组件已所剩不多。卫星、无人机和直升机都是复合材料密集型,军用飞机的复合材料用量在35-45%的水平。无人机将促进复合材料产量的增加,但商务飞机的影响会更大。空客的A380、A350XWB和波音的787表明复合材料在与金属的市场争夺之战中获得了胜利,但金属与复合材料之争远没有结束。尽管近期认证的飞机复合材料用量很高,但是重新设计的波音777和777X将采用碳纤维复合材料机翼和铝合金机身。全复合材料的新设计被退回。包括A320neo和波音737MAX在内的单通道飞机,仍然是大量采用铝合金,并没有在主承力结构中大量采用先进复合材料来延长使用寿命。金属供应商积极开发包括铝锂合金在内的新型合金应对与复合材料的竞争。在航空航天主领域谁会胜出还不明朗。

更重要的是,尽管复合材料用于民用运输机主承力结构是相当新的,但这种实践活动在军用运输机上有很长历史。二者的显着不同在于军用飞机及早期民用飞机上的应用比例远低于当今的民用飞机。

世界所有市场领域的飞行器生产价值1800亿美元,在2021年达到约2100亿美元的峰值,之后会变慢。好消息是航空航天仍是一个增长的市场,这是在金融危机中唯一增长的主要资本商品行业。大型喷气客机占了一半市场价值,军用领域还是一个增长曲线。但是应关注商用空中运输市场,这是航空复合材料的主要使用范围。

图 1: 世界碳纤维需求量(单位:吨)

Cytec公司工程材料部副总裁Chris
Pederson对设计新闻记者谈到:“复合材料用于民用飞机机翼和机身这些主承力结构,可满足更高的要求。”他说:“这些结构的高生产率及关键性对质量提出了很高要求。还需要对材料与结构的加工工艺进行持续改进以降低成本并满足生产率要求。”

我们在一个很不寻常的时期:过去几年签订了数量巨大的飞机订单,这些订单主要是由高燃油价格和超低资本成本驱动的。航空公司想要更高效的飞机来平衡油价并且能负担它们。尽管油价从2012年开始走低,持续的低利率继续支持了机队资本重组和当前的飞机订单。降低的油价确实影响双通道飞机,使用旧飞机飞行会更便宜,因此787这样的大型双通道飞机订单储备减少。但是单通道飞机订单出现了历史纪录,包括空客320和波音737。波音和空客想要达到每月60架单通道飞机的生产速度,因为这是当前的主要收入来源。

可以明显看出,航空航天领域需求量有大幅度增加。2001
年航空航天领域对碳纤维的需求为2690t,2002 年和2003
年对碳纤维的需求量有所减少,2002 年约减少20%,2003 年则减少约9 %。2003
年以后航空航天领域对碳纤维的需求出现快速增长,2006 年与2001
年相比将增长约40 %,2008 年将增长约76 %,到2010 年和2001
年相比预计增长超过100%。本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域应用的新进展。

Pederson谈到,Cytec公司工程材料部供应了787的大量材料。该公司的碳纤维预浸料、熔渗树脂、胶粘剂以及表面材料用于787的机翼及机身主承力结构,它还为飞机翼肋、襟翼、发动机整流罩以及内饰提供预浸料、胶粘剂以及表面材料。Cytec公司的环氧、酚醛、双马以及热塑性技术已在该飞机上全面应用。

波音/空客双强垄断依赖于单通道飞机销售占其利润绝大多数,是增加产量的动机。两家公司一直在进行市场份额竞争。因此,两家都低于标价供应单通道飞机,A320和737的实际价格事实上自2002年以来没有变化。两家OEM厂商现在关注增加其利润,到15-20%的利润率水平。

表 1: 世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测

Pederson在与法兰克福召开的AIRTEC2011会议一起召开的机翼供应会上发表的主题演讲上说,大多数零件由手工制成,结构设计简单,很少采用自动化制造。

波音和空客正执行一系列计划,包括增加更高利润率的服务(售后)收入,这将可能导致收购服务公司。其它则包括通过波音“成功合作伙伴”这样的计划加之更好的劳工协议、更多自动化和精益项目,降低供应成本。在航空结构中,OEM的战术将包括重新设计零件、使用低成本工艺、材料替代、强硬的商业合同和回收更多废料。当前时期极为关注成本,降低成本以追求利润。预计会有更多类似汽车行业的操作和实践。

1航空领域应用的新进展T300
碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用,目前应用较多的为拉伸强度达到5.5GPa,断裂应变高出T300
碳纤维的30%的高强度中模量碳纤维T800H纤维。军品碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上,碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能,数据显示采用复合材料结构的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%;复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标――结构重量系数来衡量,国外第四代军机的结构重量系数已达到27~28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右,其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机,已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材料。

“当时,复合材料用于次承力构件,如襟翼、升降舵、方向舵以及发动机整流罩。这些结构不是飞行关键结构。这些复合材料主要是由芳纶、标准模量的碳或玻璃纤维增强的未增韧环氧夹层结构。早期的树脂不能提供足够的损伤容限以将其用于民用飞机的主承力构件,如机翼及机身。”

所以,这对供应商的影响是?一般来说,航空航天供应链包括30-60家一级供应商,负责系统集成;上百家二级供应商,制造主要部件;上千家三级供应商,负责零组件;20-50家四级供应商供应材料和工艺(金属和复合材料预浸料)。OEM只喜欢和一级供应商交易,所以这些供应商是OEM供应链计划的首要对象,它们在定价和选择客户垂直集成方面面临诸多压力。这将导致一级供应商未来持续整合。二级供应商将面临一级供应商的向下挤压和四级供应商的向上压力,对于他们来说开发“致胜的商业模式”和差异化竞争能力非常重要。三级供应商太多,摩擦是一定的,整合也将发生在这一层级。不过,四级供应商近乎完整。

图 2: 美国F-22 军用飞机

后来,工业界集中开发更高性能的材料及更加自动化的制造工艺。在民用飞机主承力构件上,初期应用是1980年代中期将其用于A310、A330垂尾及A320平尾。1990年代中期将其用于波音777尾翼及地板梁。为将复合材料用于抗疲劳、抗腐蚀、轻量化机翼和机身等主承力结构奠定了基础。

如果我们来看航空航天原材料需求,2015年总计70.7万吨,复合材料需求占到3.22万吨,或者约5%。预计到2020年,复合材料5%的需求份额将每年增长6%,钛是年增4%。所有材料合起来的“采购与飞行质量”之比约为6:1。由于设计和工艺改进,复合材料的这个比值要少些,在1.2:1到1.4:1之间,帮助其增长。

民品在民用领域,555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用,创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造,其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP),
3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维-金属板。这些部件包括:减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框――复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后,A380又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放,燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右,并降低了运营成本,座英里成本比目前效率最高飞机的低15%–20%,成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。

Pederson说:“目前,我们的工作重点放在复合材料的工业化及其应用上,更多地采用自动化制造工艺,并为材料开发出更多功能。”

2016年发生的航空航天相关事件中,有两件似乎确认了将发生在市场的变化论调。最主要的是波音在华盛顿州艾弗里特开设复合材料机翼中心。波音将机翼制造重新带回美国并且让机翼制造与设计流程如此接近,预示着一级供应商未来将没有机会制造机翼,只能做利润更少的项目。

图 3: 空中客车A-380

“例如,复合材料的主要效益是更高的力学性能及减重。由于这些材料有可剪裁性,从而使其具有实现其他功能的可能性,如防雷击。”这种多功能材料对于消除冗余材料、减重及降低成本具有潜力。

另一个是就是庞巴迪向瑞士航空交付首架C系列单通道飞机。该飞机是业界首款铝锂合金机身以及浸渍工艺制造复合材料机翼的飞机。铝锂合金比铝本身的密度低很多,在低成本下比复合材料具有更高损伤容限。这可能意味着单通道飞机的重大材料变革。复合材料行业必须警醒自己在未来年份中,供应航空航天组件面临更严峻的条件。

2航天领域的新进展火箭、导弹以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料,在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上,碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料,在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用,美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料,如美国三叉戟-2
导弹、战斧式巡航导弹、大力神一4 火箭、法国的阿里安一2
火箭改型、日本的M-5火箭等发动机壳体,其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为5.3GPa
的IM-7 碳纤维,性能最高的是东丽T-800
纤维,抗拉强度5.65Gpa、杨氏模量300GPa。由于粘胶基原丝的生产由于财经及环保危机的加剧,航天级粘胶碳丝原料的来源一直是美国及西欧的军火商们深感棘手的恼头问题。五年前,法国SAFRAN
公司与美国WaterburyFiberCote Industries
公司以有充分来源的非航天级粘胶原丝新原料开发成功名为RaycarbC2TM
的新型纤维素碳布,并经受了美军方包括加工、热/结构性质及火焰冲刷试验在内的全部资格测试,在固体发动机的全部静态试验中都证明该替代品合格,2004
年十一月,该碳布/酚醛复合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飞行。

下一代航空航天复合材料是什么?Pederson说,目前着力开发材料及制造技术,包括碳纤维、先进织物、新的制造工艺、纳米技术、自愈合材料以及结构健康监控。

图 4: 法国阿里安娜V 型导弹

卫星、航天飞机及载人飞船高模量碳纤维质轻,刚性,尺寸稳定性和导热性好,因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作,而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天飞机的热瓦,十分关键,可以保证其能安全地重复飞行。一共有8
种:低温重复使用表面绝热材料LRSI;高温重复使用表面绝热材料HRSI;柔性重复使用表面绝热材料FRSI;高级柔性重复使用表面绝热材料AFRI;高温耐熔纤维复合材料FRIC―HRSI;增强碳/碳材料RCC;金属;二氧化硅织物。其中增强碳/碳材料RCC,最为要的,它可以使航天飞机承受大气层所经受的最高温度1700℃。随着科学技术的进步,碳纤维的产量不断增大,质量逐渐提高,而生产成本稳步下降。各种性能优异的碳纤维复合材料将会越来越多地出现在航空航天领域中,为世界航空航天技术的发展作出更大的贡献。说明:林德春
上海市复合材料学会;潘 鼎 高
健东华大学;陈尚开连云港鹰游纺机集团公司(end)

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