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详细盘点热塑性复合材料在下一代航空航天应用中的作用

先进热塑性复合材料作为未来航空航天应用的突出材料,目前正在引发航空航天制造商、设计师、组件生产商和成型加工商的一连串活动。有关航空航天用热塑性复合材料的研发工作正在加快,更多涉及热塑性复合材料的试验正在进行中。

一些新公司也正在进入市场,并从航空航天制造商那里获得供应商资格,并加强现有的供应链。而使用热塑性塑料的创新制造方法正在开发、改进和上线。所有这些迹象都表明,热塑性材料在下一代商用飞机和相关应用中的应用将大大增加。

热塑性材料的生产、成型和制造的进步等因素,成为热塑性材料获得日益增长的主要因素。在一些航空航天应用中,这些材料比热固性塑料和铝等金属具有明显的优势。它们还与航空航天制造业的新兴趋势相吻合,包括飞机组装和生产速度加快、先进商用飞机设计的发展等。

航空航天用热塑性复合材料优势分析

航空航天级热塑性复合材料,如碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮(PEKK)等,在现代航空航天领域的应用前景最为广阔。热塑性预浸料在主辊上生产,可以转换成狭缝带、短切纤维或其他形式。这些产品经过优化,可以实现高效率和日益精简的零件生产。

航空航天级热塑性塑料具有轻质、耐高温的性能,并具有很高的韧性和抗冲击性。其他关键特征包括:

低吸湿性

优异的耐磨性

优异的耐火焰/烟雾毒性

挥发性化学物质的低排放

低热循环膨胀系数

尽管热固性塑料的供应链更加完善,而且作为航空航天结构件的应用历史也更长,但最近的技术和工艺发展正在改善热塑性材料的竞争格局。例如,制造商和精密成型加工商正在提高切割和转换过程的精度,以生产更多种类的先进组件。

热塑性塑料和热固性塑料具有相对相似的性能特征,但它们在加工和处理要求上有显著差异。虽然热塑性塑料比热固性塑料需要更高的加工温度,但它们可以在室温下储存,并且几乎具有无限的保质期。

相反,热固性塑料在运输和储存时,必须在加工前进行冷冻和解冻,以保持其机械性能。热固性材料规定的保质期、解冻和冻结所需的时间,以及跟踪总冷冻时间和解冻时间的需要,所有这些加起来都是与热塑性塑料无关的额外成本。

热塑性材料还有可回收利用的优点。与热固性塑料不同,热固性塑料在加工时会发生不可逆的化学反应,不能再熔化,热塑性塑料在使用后可以再加工,从而使热塑性树脂和增强纤维可以回收或重新用于其他的应用。

新一代航空航天级复合材料设计

先进的热塑性复合材料为下一代飞机的设计者提供了一个扩展的材料工具箱。热塑性塑料使飞机设计更具创造性和灵活性。它们可以形成复杂的轮廓和形状,使飞机可以被塑造,而不是机械加工。热塑性复合材料目前用于夹子和支架等半结构部件,但用于机身面板、机翼箱和纵梁等主要结构部件正在试验中。

下一代航空航天设计将需要更快的制造和装配。热塑性塑料零件的制造速度非常符合飞机制造商和设计师的预期需求。考虑使用自动纤维铺放生产的机身部分的情况。如果零件由热固性材料制成,则在叠层后必须使用高压釜对零件进行加压和固化。相比之下,热塑性材料可以通过先进的热处理进行加固,从而缩短飞机生产所需的制造时间。

热塑性材料的使用也有助于减少飞机的总部件数量。这种材料可以在不改变尺寸公差的情况下将相邻零件焊接在一起,从而消除了对许多小紧固件的需要。

卫星应用

除了商用飞机,热塑性材料还可用于要求苛刻的卫星应用。在一个实际应用案例中,某公司向一家卫星制造商提供了一种热塑性狭缝胶带,其边缘非常光滑,尺寸公差超出了行业标准,用于其专有工艺。

热塑性狭缝带

该部件重量轻,是运载火箭和有效载荷的理想选择。一旦进入太空,它会在展开时保持其刚度。由于热膨胀系数低,当卫星经历热循环时,材料在尺寸上保持稳定。

生产加工的精确格式化

生产热塑性部件的主要制造方法包括自动纤维铺放/自动铺带(AFP/ATL)、连续压缩成型、不连续压缩成型和自动压制/热成型。每种方法都是为某些类型的航空航天部件而设计的,并且需要为此目的定制的预浸料。

例如,连续压缩成型需要在缠绕线轴或衬垫上放置定向材料,而AFP/ATL则使用狭缝胶带。精密格式化程序可以提供转换材料的精确水平,从而为航空航天制造商节省时间和成本。


热塑性狭缝胶带(左)用于精密纤维铺放制造工艺,而切碎的材料(右)用于不连续的压缩成型应用

即使热塑性复合材料的加工和制造技术不断发展和完善,但是热固性材料和航空航天金属的研究和开发仍在继续,它们也在进行改进。因此,未来没有任何一种材料将会在航空航天应用中占绝对主导地位,但考虑到先进的热塑性塑料的许多优点,它们很可能在未来几年发挥越来越重要的作用。

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