碳纖維+聚醚醚酮！全球最大碳纖維飛機部件交付

 

　　

 

　　該部件的復合樹脂采用了LMPAEK（低熔點聚芳醚酮），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和裝配技術，不僅能實現降低成本和資源節約，同時還最大限度地減少了能源消耗。

 

　　何為“多功能機身演示器”？

 

　　多功能機身演示器（MFFD）于2014年構思，是歐盟資助的清潔天空2號倡議中的三個大型飛機演示器之一，旨在推進歐洲的創新技術、飛機可持續性和有競爭力的供應鏈。

 

　　在2017年發布時，MFFD計劃建造一個8米長、4米直徑的機身段，完全由碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）制成，能夠每月生產60-100架飛機，機身重量減少10%，經常性成本降低20%。

 

　　

 

　　在成功交付后，該部件目前正被運送到位于施塔德的弗勞恩霍夫制造技術和先進材料研究所，在那里它將與來自荷蘭的下殼（STUNNING項目）連接起來，在今年年底前形成完整的機身外殼部分。隨后，空客公司將在漢堡應用航空研究中心對這些技術進行最終驗證。

 

　　CF/PEEK好在哪？

 

　　碳纖維增強PEEK復合材料，指碳纖維以短碳纖維(SCF)、長碳纖維(LCF)和連續碳纖維(CCF)或者織物形式增強PEEK樹脂基的復合材料。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。經過碳纖維增強的PEEK材料性能比純PEEK材料在諸多方面都有提升。

 

　　復合材料性能大幅增強

 

　　30%的短碳纖維增強聚醚醚酮復合材料在室溫下，拉伸強度比未增強時增加至少1倍，在150℃下達到3倍，而聚丙烯氰基連續碳纖維以帶狀單項預浸增強聚醚醚酮材料在室溫下拉伸強度是未增強聚醚醚酮材料的20倍。

 

　　同時增強后的復合材料在沖擊強度、彎曲強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℃。復合材料的沖擊能量吸收率直接影響到復合材料在承受沖擊時的表現，碳纖維增強聚醚醚酮PEEK復合材料顯示出高達180kJ/kg的比能吸收能力。

 

　　

 

　　CF/PEEK板材

 

　　碳纖維的增強在一定程度上抵御PEEK的熱軟化，形成強度非常高的轉移膜有效地保護接觸區域，所以碳纖維增強聚醚醚酮PEEK復合材料的磨損率明顯比純PEEK要低。碳纖維增強PEEK復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生表面裂紋等這類問題，其優良的摩擦學性能甚至超過超高分子量聚乙烯。

 

　　低熔點的PEEK更易加工

 

　　對于高溫條件下剛度和強度要求較高的應用來說，其所需的玻璃化溫度也較高，因為當溫度高于玻璃化溫度時，聚合物即可從堅硬的玻璃態轉變為柔軟的高彈態。而更高的熔點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高30-60°C。而實際上，如果溫度遠高于430°C，加工熱塑性塑料就會變得困難。

 

　　為了解決這個問題，行業龍頭威格斯開發出了LMPAEK（低熔點PAEK），這些聚合物的Tm:Tg比通常較低，為1.35。這意味著熔點和加工溫度降低了約40°C，加工條件進一步降低。

 

　　國產飛機應用情況

 

　　在今年五月份首飛的C919國產大飛機，同樣使用了碳纖維復材。C919大型客機是國內首個使用T800級高強碳纖維復合材料的民機型號。相比T300級材料，T800級材料強度、模量更高，韌性更強，具備更好的抗沖擊性，C919上受力較大的部件，如后機身和平垂尾等都使用了T800級碳纖維復合材料。

 

　　

 

　　國產C919首飛

 

　　T300屬于第一代民機復合材料，其樹脂基體為未增韌的脆性環氧樹脂基體，增強纖維為T300碳纖維，其拉伸強度約為3.5GPa，拉伸模量約為230GPa。T300呈現脆性材料性能特征，對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構。C919上使用的T800材料采用增韌環氧樹脂基體，增強纖維為T800碳纖維。拉伸強度和拉伸模量較T300提高50%左右，也是目前國際上民機主承力結構應用最為廣泛的復合材料。

　

　　近年來在航空領域，碳纖維作為21世紀新材料之王”已經成為各大公司制造飛機時的必要選項。

 

　　現實情況是，目前國外軍機上碳纖維復合材料用量約占機重的20%—50%，而我國最先進的戰斗機殲-20的含碳量也僅在20%左右，低代機型的碳纖維含量就更低了。在民用飛機領域，波音787和空客A350中的碳纖維復合材料用量占比已經達到50%以上，我國國產客機C919的碳纖維復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口，而現在，國內基本能夠滿足40%的市場需求。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。

 

　　龍頭企業正逐步打破國外技術壟斷。經過長期的技術積累，我國以吉林化纖、中復神鷹、寶旌、新創碳谷、恒神股份、光威復材等為代表的國內碳纖維龍頭企業正逐步打破國外技術壟斷，產能規模不斷擴張，部分企業產品性能與國際龍頭比肩。