長期以來,原始設備制造商一直依賴碳纖維熱固性復合材料來制造非常堅固的飛機結構件。現在,隨著技術的進步,人們開始接受另一類碳纖維增強復合材料——以大批量、低成本、輕重量的方式,自動制造的新型非熱固性部件。
柯林斯航空航天公司(Collins Aerospace)先進結構部門的工程副總裁Stephane Dion稱,雖然碳纖維增強熱塑性復合材料已經被人們所熟知,但直到最近航空制造商才考慮將其廣泛用于制造飛機部件,包括主要結構部件。
他還表示,與熱固性復合材料相比,碳纖維增強熱塑性復合材料有可能為航空航天原始設備制造商提供一些優勢,但直到最近,制造商還不能以高速率和低成本制造熱塑性復合材料的零件。
在過去的五年里,隨著碳纖維增強復合材料零件制造科學的發展,原始設備制造商已經開始將目光投向了熱固性材料制造的零件之外。轉變之一首先是,使用樹脂灌注和樹脂轉移成型(RTM)技術來制造飛機零件,其次是采用熱塑性復合材料。
吉凱恩宇航公司(GKN Aerospace)已投入巨資開發其樹脂灌注和RTM技術,以廉價和高速度制造大型飛機結構件。吉凱恩航空航天公司Horizon 3先進技術計劃的技術副總裁馬克斯-布朗說,吉凱恩公司現在使用樹脂灌注制造技術制造了17米長的單件復合材料機翼支柱。
據Dion稱,原始設備制造商在過去幾年里對復合材料制造大量的投資,還包括戰略性地開發能力,來實現熱塑性部件的大批量生產。
熱固性材料和熱塑性材料之間最顯著的區別在于,熱固性材料在被塑造成零件之前必須在冷庫中保存,而一旦塑造成零件,熱固性零件必須在高壓釜中經過許多小時的固化。這些過程需要大量的能源和時間,因此,熱固性部件的生產成本往往居高不下。
固化不可逆轉地改變了熱固性復合材料的分子結構,使該部件具有強度。然而,在目前的技術發展階段,固化也使部件中的材料不適合重新用于主要結構部件。
然而,根據Dion的說法,熱塑性材料在制成零件時不需要冷藏或烘烤。它們可以被沖壓成一個簡單部件的最終形狀。空客A350的機身框架的每一個支架都是熱塑性復合材料部件,或者被沖壓成一個更復雜部件的中間階段產物。
并且,熱塑性材料可以通過各種方式焊接在一起,允許用簡單的子結構制作復雜的、高度成型的零件。Dion說,目前主要使用的焊接方式為感應焊接,只能用子部件制作扁平的、恒定厚度的部件。然而,柯林斯公司正在開發用于連接熱塑性部件的振動和摩擦焊接技術(Vibration and Friction Welding Techniques),一旦獲得認證,它預計最終將使其能夠生產 "真正先進的復雜結構",他說。
將熱塑性材料焊接在一起制成復雜結構的能力使制造商能夠取消熱固性部件在連接和折疊時需要的金屬螺釘、緊固件和鉸鏈,從而創造出約10%的減重效益。
熱塑性復合材料與金屬的結合比熱固性復合材料更好。雖然旨在開發熱塑性塑料特性的實際應用的工業研發仍處于 "早期成熟的技術準備水平",但它最終可能讓航空航天工程師設計出包含混合熱塑性塑料和金屬集成結構的部件。