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先进复合材料制造技术取得新突破:复合材料机

2019-07-05 16:14
 这里的机身说的是单通道、窄体、100 座以上的民机的机身。目前这类民机有空客 A320、波音 737、商飞 C919、俄罗斯 MC-21 以及空客 A220(原加拿大庞巴迪的C 系列飞机)。
 

  波音 787 和空客 A350 投入航线快十年了。航空公司和广大乘客都感受到碳纤复合材料带来的福祉。民机使用复合材料已经成为衡量先进与否的重要标志之一。特别是机身使用复合材料被誉为民机工业的“革命”。
 
  现 A320 和 B737 尽管机翼、机身都是用金属制造。但这种大小的飞机销路十分火爆,是这两家飞机制造公司的拳头产品、也是摇钱树。近些年其他公司新研发的飞机,仅机翼使用了复合材料。她们还不能对 A320 和 B737 的市场构成严重的威胁。因此,空客和波音对用复合材料制造机翼和机身的方案迟迟没有启动。没有启动不等于不做工作。今年巴黎复合材料展会和航展,以及近期有关复合材料报道的文章,都清晰地看到空客和波音在 A350 和 787 投产后,结合它们的经验,一直在研究如何把复合材料更好地应用在单通道民机上。双方都想在用复合材料制造机翼、机身的单通道民机上,再争高下。如,东丽为波音研发的、制造受力结构的、新型树脂基碳纤维复合材料预浸料:T1100/3960。同时还展出了蒙皮、长桁、大梁集成的尾翼组件试验件。空客和他的合作伙伴也陆续发表了,在“明日之翼”项目合作研发的一些成果。“明日之翼”明确地表示,替代 A320 的新型号民机,机翼将是蒙皮、长桁、大梁集成的结构。同时要采用满足生产进度需求的树脂注入工艺。最近为空客和波音制造大部件的Spirit AeroSystems 公司,公布了制造新一代单通道民机机身的创新方案。新机身创新壁板造使用新材料/新工艺结合,集成制造蒙皮和长桁,节约成本 30%(图1.)
 
创新材料
 
  新机身创新壁板造使用新材料/新工艺结合,集成制造蒙皮和长桁,节约成本 30%。制造蒙皮、长桁所用的材料是,东丽新研发的环氧树脂基碳纤维复合材料T1100/3960。


 
  T1100 是 2017 年东丽引入市场的。它不但提高了强度,而且还提高料模量。它是介入中模量(IM)和高模量(HM)之间的一种新纤维,被称为 IM+纤维。
 
  T1100 碳纤维使用了东丽定量技术,达到精细级控制纤维结构。结果是显著的性能改进超过东丽的其他碳纤维,见表 2.和表 3.
 

 
  东丽下一代 3960 预浸料系统展示了航空材料性能的下一个飞跃。它使用“纳米-合金-基础”的技术,以实现拉伸强度和抗压强度。3960 树脂系统与先进的 T1100 碳纤维的互补配对(Complementary pairing),为未来的材料提供了无与伦比的性能。高韧性,卓越的抗拉性能,以及保持 121°C(250°F)的热湿性能,使 3960 系统成为航空航天工业未来需求的明确选择。
 
  T1100/3960 它比其广泛使用的前辈—东丽的 T800S/3900预浸料—提供了 20%以上的刚度,但没有通常伴随刚度增加而出现的强度下降。(T800S/3900-2B 是波音 787 机身、机翼,以及波音777X 机翼使用的材料。)


 
  T1100/3960 不用热压罐,在高温炉中固化。
 
  T1100/3960 不仅适用于自动铺丝机(AFP),还适用于手工铺铺放。
 
  QISO® 准各向同性织物(图 2.)是 A&P 技术公司(美国俄亥俄州辛辛那提市)的产品(用哪种纤维没查到)。
 

创新工艺

 
  从图 3.清晰地看出,复合材料长桁改变了原金属长桁的剖面。与蒙皮连接不再用铆钉,而是共固化或者共胶接。这两类长桁都是事先在长桁制造车间制造好的。
 
  创新机身壁板长桁不再是单独预先制造出来。长桁由碳纤维 QISO? 准各向同性织物预浸片制成。先将预浸片放置在开槽的机身模具表面。然后,使用真空成型,预浸片被拉入长桁圆弧凹槽,形成具有长桁圆弧凹槽波纹的长桁板。接着,就像波音 787 或者 A350 机身中段曲面板所做的一样,用自动铺丝机(AFP)铺放 T1100/3960 纤维带,制造机身蒙皮。再在热压罐中固化。结果是机身蒙皮具有连续的内表层,并具有完全集成的长桁。创新工艺最突出的亮点是:

    
  模具型面使用双马来酰亚胺(BMI)碳纤维复合材料。型面与支撑结构之间采用浮动连接。
 
  板件制成后,Spirit AeroSystems 公司与威奇托州立大学的国家航空研究所(NIAR)合作,开始了一项测试工作,旨在评估蒙皮和长桁板的不同纤维组合。该公司测试了抗冲击、强度、疲劳、环境冲击、雷击、FST(火焰、烟雾、毒性)和损伤容限。测试的结果,达到了公司的目标厚度。
 
  铺放碳纤维带使用 Electroimpact 公司 (Mukilteo, 华盛顿州)自动铺丝机(AFP),该机器可操纵铺放放门开口周围的圆角(圆角半径 6 英寸- 152.4 毫米)。
 
  Spirit AeroSystems 公司虽然展示的创新材料和工艺,最适合基于曲面板的机身结构(类似 A350),但是它也可以适用于基于整体桶的机身结构(类似波音 787)。此外,该公司还开发了一套制造生产线,称其可以满足单通道项目每月 60 架次的需求。
 
  编译感言
 
  在介绍 T1100/3960 资料特别用到纤维与基材树脂“互补配对”(Complementary pairing)一词。这一点对国内研发复合材料十分重要。
 
  图 1 所示的创新机身板件中,蒙皮和 10 根长桁共固化后,成为一个零件。两个复合材料框是在板件的装配夹具中安装的。框与蒙皮通过剪切角片与用铆钉连接。
 
  创新机身壁板的确适合,由曲面板组合的机身结构它要用于整体筒结构的机身,想像中还有问题。需要进一步跟踪、研究。
 
  Spirit 在文章中还没有披露空客、波音,到底是用曲面板组合的机身结构,还是整体筒的机身结构。
 
  单通道民机机身(包括机翼)使用复合材料,一个共识是,在成本控制的前提下,“要有铝合金的制造速度,又要有复合材料的优越性能”。固化时间是一个重要因素。文章中还没有固化时间。
 
  单通道民机机体重量在 23 吨左右。如果机翼、机身使用复合材料,再加上尾翼用的复合材料,复合材料用量占机体重量的 50%左右,即 11.5 吨。新型号民机目标产量是每月 60 架,这也就是说每月需要 600 多吨碳纤维复合材料。
 
  Spirit AeroSystems(美国堪萨斯州的威奇塔)她收购了,波音公司在威奇塔的飞机部件制造厂。目前是世界第一大的飞机部、组件制造公司。其中最突出的是:目前她每月至少要向波音公司 737 在西雅图的伦顿总装厂,提供 50 个 737 整机身。737 整机身用火车,由威奇塔运输到伦顿总装厂(图。4)。每月至少向波音 787 总装厂交付 16-17 架 787 机头段。机头段用飞机运输(图。5)。
 
  另外,在美国北卡罗来拉州的金斯顿新建复合材料部件制造工厂。专门为空客生产 A350 的中机身复合材块料曲面板(图。6)。带框的曲面板空运到法国图鲁兹的总装厂。Spirit AeroSystems 还参加了空客的“明日之翼”项目的研发工作。
 

  附:一组现搜索到的创新机壁身板详图:
 



 

  参考资料:
 
  《Spirit AeroSystems debuts next-generation composite fuselage pane》6/16/2019
 
  《Spirit AeroSystems collaborates on Wing of Tomorrow program》6/18/2019
 
  《2019 Paris Air Show: Highlights》 6/25/2019
 
  《High-strength and High-modulus Carbon Fiber TORAYCA? T1100G》
 
  《3960 PREPREG SYSTEM - Toray Composite Materials …》
 
  《 明日之翼》

       《复合板

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