热塑复材的来龙去脉3-第二篇-1
本文摘要：（由ai生成）
这篇文章主要讨论了热塑性复合材料的应用及相关技术，特别是自动纤维铺放（AFP）技术在航空航天领域的应用。文章指出，热塑性复合材料结构可以通过消除热压罐和紧固件，实现一步或两步工艺，提高生产效率。然而，目前对于哪种工艺更快还存在争议。影响工艺效率的一个关键特征是空隙率，其取决于 AFP 率、零件几何形状和预浸料质量。尽管热塑性胶带和丝束的质量有了显著改善，但仍存在一些问题，如原材料的多孔性和层压板之间的固结问题。在航空航天领域，AFP 技术需要解决磁带的均匀性、结晶度和厚度等关键因素。虽然 AFP 技术在航空结构中的应用已经取得了一定的进展，但仍需要与供应商合作，以实现更高质量的磁带和相应的整合以及原位 AFP 处理速度的目标。
热塑性复合材料结构可以消除热压罐和 紧固件，但一步或两步工艺会占上风吗？
荷兰和法国的开发计划（例如， STELIA“拱形 TP”机身），如果通过二次操作进行固结和桁条连接， 声称 AFP 会更快。
FIDAMC 和 Automated Dynamics 已经演示了一 步 ISC 集成蒙皮/桁条机翼和机身结构。
图 1. 现场固结热塑性 AFP 的受控激光加热键 当热塑性预浸料带通过 AFP 头输送到零件上时，激光将其加热到基体的熔化温度，从而能够对先前 沉积的层进行部分焊接（需要第二次固结步骤）或 完全焊接（原位固结）。红外相机测量基板和传入 胶带的表面温度，提供用于控制激光加热的数据。
图 2. 热塑性 AFP 激光器和光学器件与用于热固性 AFP 的红外加热器的橙色光不同， 用于热塑性 AFP 的激光发出紫色辉光。激光光学 器件（如图所示）将激光从圆形横截面转换为矩 形横截面，使其宽度与放置在压实辊夹点处的胶 带/丝束的宽度相匹配。
图 3. 试图提高 ISC 速度的具有较低空隙含量的扁平带 这些来自 FIDAMC 的显微照片是预浸胶带的。空隙和不规则的厚度使 AFP 过程中的压实效果较差。即便如 此，ISC 结构的固结度可以约为热压罐或热压机固结度的 90%——对于初级航空结构来说，固结度足够高。 但 FIDAMC 仍在与供应商合作，提供更高质量、更平整的磁带，以提高 ISC 的整合和速度。
在这个由两篇文章组成的第 1 篇文章中， CW 回顾 了热塑性复合材料（TPC） 在商用飞机结构飞机部件中 的出现和历史。特别关注的是原位固结（ISC）热塑性复 合材料（TPCs） ，这是一种单步工艺，在该工艺中， 当（通常）使用自动纤维放置（AFP） 设备放置单向热塑 性胶带时，施加热量和压力。以这种方式制成的结构是 完全固结的，因此可以实现小于 2%的空隙率和足够的 机械性能。因此，不需要进一步加热或加压。
ISC 气瓶和储罐自 20 世纪 80 年代末开始生产，ISC 零件已在石油和天然气行业使用了几十年。此外，ISC 飞 机结构原型已经在与直升机机身一样大的组件中进行 了演示。然而，目前没有一架商用飞机。
如第 1 篇文章所述，ISC 在放置时完全固结层压板， 在 TPC 冷却时实现目标空隙率和机械性能。但批评人 士认为，安置/整合过程太慢，否定了单步骤工艺在整体 生产速度方面的好处。更传统的两步工艺的支持者坚持 认为，尽管它们需要通过烤箱、 热压罐、加热工具或压 机进行二次固结步骤， 但它们具有更快的 TPC 胶带放 置速度的潜力，并导致更快、更便宜的整体零件生产过 程。事实上，哪种方法更快还不太清楚， 每种方法的最 终零件生产速度都会受到多种因素的影响。
“我们今天可以提供使用原位整合制造的高性能零 件，”空中客车创新与发展、制造技术复合材料公司（法 国南特） 负责人西里尔 ·科拉特（Cyrille Collart）说。但未 来的机身上到底会用什么呢？空客表示，这将取决于哪 种技术最能满足每种应用和飞机项目的目标。
平衡时间和温度
在其最基本的形式中，AFP 铺放头包括带进给和切 割机构、压实辊和加热器（图 1）。通常， 红外（IR） 加热器是热固性材料的标准，二极管激光器现在是 TPC 的标准。当热塑性预浸料带通过 AFP 铺放头输送到零 件上时，激光将其加热到热塑性基体的熔体温度，通常 高于该温度。这使得在进行第二次固结步骤的情况下， 能够对之前沉积的层进行部分焊接，或者实现单步骤ISC 应用所需的完整焊接。IR 相机通常用于测量基板和 引入胶带的表面温度。这些数据用于开环或闭环系统中， 以控制激光器提供的热量。
AFP 设备供应商 Coriolis Composites （法国魁北克） 的首席技术官兼董事亚历山大 ·哈姆林（Alexandre Hamlyn） 解释道：“ 你走得越快，你需要的功率就越多，但太多 了，你会烧掉复合材料。 ” 。“ 因此， 红外相机会感应 到叠层温度，并在温度超出指定范围时向操作员发出警 报。 ”他指出， 科里奥利机器用于一系列零件和材料。 哈姆林说：“AFP 机器在零件开发和材料鉴定过程中经 过‘ 培训 ’。” 。“ 这是建立每个零件和材料的加热轮 廓的地方。”这些参数保存为配方，然后由操作员选择。 整个系统由中央计算机控制，提供主要飞机结构所需的 高级控制。
Accudyne Systems（德国纽瓦克， 美国）销售和营销 副总裁迈克 ·斯穆特（ Mike Smoot ） 表示：“加热胶带的 时间越长， 温度就会穿过层压板，并在下面的层压板中 产生应力。 ” 。“ 所以， 这是温度和时间的平衡。 ”他 指出， 薄壁结构的问题不大， 厚结构的问题更大， 并观 察到后者“在加工时会分层 ”
荷兰航空航天中心（NLR， 阿姆斯特丹） 结构技术 部复合材料高级科学家亨利 ·德 ·弗里斯（Henri de Vries）表示同意：“ 这是 ISC 最大的问题之 一 。 ” 。“ 通常， 需要退火来释放主要部分的热应力，但也可以通过在铺 放过程中将零件保持在 100°C 来降低热应力。 ”
加热 元件 及 其使 用方 式 也可 以起 到 纠正 作用 。 FIDAMC（西班牙赫塔菲） 工艺开发与实验室负责人费 尔南多 · 罗德里格斯（Fernando Rodriguez）解释道：“ 我们 可以在放置过程中使用不同轮廓的激光加热更长长度 的胶带，这会导致更长的接触和加热时间，从而更好地 固结和减少空隙。”。使用光纤（optical fiber ）和激光光学 器件对热塑性 AFP 中使用的二极管激光的轮廓或形状 进行了修改（见图 1 和图 2）。 哈姆林说： “ 这是一根 从二极管源到安装在头上的激光光学器件的直径非常 小的（1 毫米） 光纤， 它将激光源从层压板上的圆形点 转换为夹点处的矩形输出，这与正在铺设的光纤的宽度 相 匹配。”。他补充道：“我们的机器可以铺设从 1/8 英寸到 2 英寸（3.2 毫米到 50.8 毫米） 的宽度。光纤将 把激光输出拉伸到 2 英寸（20.8 毫米）宽和 1 英寸（25.4 毫米） 高。 ”
速度与空隙、结晶度和胶带厚度
影 响 工 艺 效 率 的 一 个 关 键 特 征 是 空 隙 率 。 Automated Dynamics 总裁罗伯特 · 郎贡（ Robert Langone） 表示： “原位固结 TPC 零件的空隙率取决于 AFP 率、零件几何形状和预浸料质量。 ” 。“ 大多数使用 PEEK 的零件空隙率为 4-6%， 而大多数航空航天零件的空隙 率可低至 3-4%。”特瑞堡生产各种 ISC 玻璃、碳和芳纶 纤维零件， 石油和天然气零件使用 PEEK，航空航天零 件使用聚苯硫醚（PPS）、 PEKK 和 PEEK。他指出： “ 我们能做的最好的事情是 1%或更低一点， 但不是针 对每种几何形状或每种类型的热塑性胶带。 ”。
哈姆林说：“对于复杂的零件， 我们可以实现 96% 的固结（3-4%的孔隙率）， 而对于平坦的零件， 孔隙率 小于 2%。” 。“使用平板，您可以更准确地放置纤维， 这有助于提高固结度。关键是我们如何设置和控制工艺 窗口和高压实压实机的压力。 ”
Accudyne 的斯穆特指出，他的公司在 20 世纪 90 年 代的 ISC 开发过程中遇到了胶带质量差的问题（见上篇 文章）。“你无法满足孔隙率或性能要求，”他解释道。 “Accudyne 必须先将胶带固结，然后用其原位层压机进 行处理。通过这种方式，它能够获得 3%以内的热压罐 性能，甚至生产出一些超过这一性能的面板。 ”
但哈姆林指出，热塑性胶带和丝束的质量有了显著 改善，孔隙率尽可能低至 1%。
然而，FIDAMC 的罗德里格斯看到了一些问题，尤 其是在最近的强化机身面板演示中。“ 由于滚筒的作用，层压板之间的固结非常好，”他说，“但由于原材料的 多孔性，每个层压板（内部） 都有空隙。 ”他还指出了胶带厚度、宽度和树脂/纤维分布的均匀性问题。图 3 中 的显微照片为 CF/PEEK。罗德里格斯观察到：“ 你可以看到空隙和不规则的厚度， 这会导致压实问题。 ”。“ 我们需要更均匀的厚度，”他补充道，“ 包括胶带的宽度和长度。 ”
尽管存在这些问题，但一步工艺中的固结度约为热 压压或热压所实现的固结度的 90% 。 罗德里格斯表示， 这对于初级航空结构来说已经足够高了，但 FIDAMC 正 在与供应商合作，包括 Barrday（美国马萨诸塞州米尔伯里） 、TenCate（荷兰 Almelo）、Toho Tenax（德国伍珀 塔尔） 和 Victrex（英国兰开夏郡 Cleveleys）， 以实现更 高质量的磁带和相应的整合以及原位 AFP 处理速度的目标。
另一个关键问题是结晶度，这是半结晶聚合物（如 PEEK、PEKK 和 PPS） 在从熔体温度冷却成固体时形 成的有序分子结构。一般来说，较慢的冷却速率会增加 结晶度，从而导致成品层压板具有更高的机械性能和耐 化学性。 罗伯特 · 郎贡认为结晶度对某些应用比其他应 用更重要。“你希望满足每种应用的耐化学性和机械性 能， 以及零件在使用寿命内的稳定性。零件在结晶时会收缩，所以你真的希望在零件生产过程中完全做到这 一 点， 以防止在使用过程中零件形状发生变化。 ”他说， 目标不仅是降低零件尺寸稳定性的风险，还降低零件内 残余应力形成的风险。
“在我看来，你不需要 40%的结晶度，”德弗里斯在 谈到典型的理想百分比时说。 “ 如果你比最大值 （39- 40%）低 5-6%，性能和耐化学性都会有一点变化。所以， 35-36%就足够了，但低于这个值，性能会显著下降。 ”
关于 PEEK 还是 PEKK 在结晶度方面提供更容易 的加工，也存在争议。德弗里斯（De Vries）认为 PEKK 在 375°C 和 385°C 的 PEEK 温度下加工更适合 AFP， “ 因为加工窗口更宽。”但并非所有人都同意。有人认 为 PEEK 可以用于机翼结构，但由于其成本较低，PEKK 可以用于机身。但这也存在争议。大多数 AFP 设备制造 商和航空结构开发合作伙伴都在考虑这两者。
第三个因素是胶带厚度。在 NLR，德弗里斯认为较 厚的材料可以提高材料放置率，他声称可以像较薄的胶 带一样处理， 并进行一些工艺窗口优化。他说：“ 我们 目前使用 0.13 毫米厚的标准 0.25 英寸宽的胶带，这是 索尔维公司的认证材料。” 。“但我们正在 TAPAS 2 项 目中使用 TenCate 探索厚度高达 0.18 毫米的胶带。我们希望 PEEK 和 PEKK 都能达到 0.25 毫米的厚度，但很 难获得高质量的胶带。 ”
