制造单通道民机机翼 用什么复合材料
来源：杨超凡  2020-12-31 10:20:20
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文章关键词： 杨超凡

原文：http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-10341.html       用复合材料制造机翼，除了一般复合材料带来的好处外，还给空气动力带来很大的好处。机翼蒙皮是在凹模中用复合材料模塑成形的。蒙皮外形准确、且光滑流线，再加上它与长桁连接不用铆钉连接，进一步保证了这个优点。装配好的机翼，比金属机翼阻力小。

       复合材料比强度高，机翼做的比金属机翼薄。薄机翼阻力小。特别复合材料机翼，可以做到比金属机翼展弦比大。展弦比大，机翼的升力就大。展弦比大就是机翼窄长，像滑翔机、太阳能飞机，为追求大的升力，都有很长的机翼。

       目前单通道民机有：

• 空客A320（铝合金机翼），展弦比10.45。
• 波音B737（铝合金机翼），展弦比9.45。
• 商飞C919（铝合金机翼）， -----
• 俄罗斯MC-21（复合材料机翼）, 展弦比11.5。
• 空客A220（复合材料机翼）。

       其中空客A220属100-150座级单通道民机。其余4种同属150座级单通道民机。

       这里讨论的机翼材料，是指翼盒中的上下壁板、前后梁所用的材料（图1.- 2.）。MC-21和A220机翼所用的复合材料，都是环氧树脂基碳纤维复合材料。环氧树脂属于热固性树脂。通常热固性树脂需要在高温、高压条件下，经过一定时间固化。

       MC-21和A220机翼所用的复合材料，材料牌号不同、使用的工艺也不相同。




       俄罗斯MC-21复合材料机翼

       材料：苏威（Solvay）的干碳纤维无捻纱带（slit tape）PRISM® TX 1100 和基材PRISM® EP 2400 增韧树脂。
       工艺：自动铺放（AFP）干碳纤维无捻纱带 - 热灌注树脂 - 不用热压罐，在高温炉中固化（图3.至10.）。




       空客A220复合材料机翼

       材料：Saertex（德国萨尔贝克）的单向和多向无卷曲织物（NCF）。苏威（Solvay）公司的Cytec 890环氧基材树脂。
       工艺：使用庞巴迪的专利技术-树脂转移灌注( RTI )工艺（图11.）。


       1.在蒙皮模具 (图11.中的1)上铺放干碳纤维无卷曲织物（NCF），形成机翼壁板蒙皮。（此图中未示出）
       2.在铺好的蒙皮上，放置、定位干碳纤维无卷曲织物长桁和长桁模具（图11.中的3）。
       3.盖上柔性带（图11.中的2）。柔性袋是一种用针织物增强的聚丙烯酸材料，可以向任何方向延伸，但同时具有柔软区域和半硬区域(用固化复合材料增强)，共同为树脂完全湿润所有纤维开辟了一条通道。采用真空压力将Cytec 890 RTM环氧树脂压入柔性带内。真空压力最高可达14psi。树脂注入温度80°C。（注入树脂时热压罐内不加压）
       4.在热压罐中固化。温度180°C，2小时，压力100 psi（7大气压）。
       5.  接下来是复合材料制造的通用工序：C扫描无损检测、修剪、划线、钻孔、切割。

       “新320”复合材料机翼研发动态

       空客准备在2030年，推出机身、机翼都是复合材料的“新320”，以取代现在的铝合金A320。“新320”机身用碳纤维增强热塑性树脂复合材料。机翼用碳纤维增强热固性树脂复合材料。

       “新320”机翼为什么不用MC-21和A220复合材料机翼技术？直观的原因有：
       1.“新320”的目标产量，每月生产70-100架飞机。上述两种复材技术达不到要求。特别是MC-21灌注加温的基材树脂和在高温炉中固化，需要20多小时。机翼产能每年仅能生产100套机翼。
       2.“新320”为降低经常性生产成本，生产中不使用热压罐。A220灌注基材树脂和固化，都是在热压罐中进行。

       “新320”机翼研发使用的材料：

• 由Teijin Carbon Europe GmbH（德国Wuppertal）公司提供的干无卷曲织物（NCF）
• 由苏威（Solvay）复合材料公司（美国佐治亚州阿尔法瑞塔）提供的单组分环氧树脂基材系统

       “新320”机翼研发使用的工艺和工具：

       在新冠疫情前，GKN完成了一个4米长的机翼后梁试验模具；Spirt试制一件7米长的，机翼下蒙皮；明年年初，完成17米长的下蒙皮模具(图12.)。此模具可以制造蒙皮的最大弦长3.3米，尖端宽1.1米。蒙皮铺层的厚度在尖端附近测量为5毫米，在蒙皮与主起落架梁的接口处为30毫米。


       该工具采用专门的模具温度控制技术，具有半柔性薄膜和加热工具盖。使用靠近模具表面的集成加热装置，以提供快速和精确的温度控制。

       基材树脂采取一套称为智能树脂注入系统（IRIS-Intelligent Resin Infusion System ）的技术，多点注入基材树脂进行生产。

       干无卷曲织物（NCF）使用超高速铺放工作站（UHRDCU -ltra High Rate Deposition Cell）。此工作站可以按设计要求，精准测量、切割干无卷曲织物（NCF）。使得以后成型的零件，做到净边无余量。此工作站还有两个NCF处理系统，用于将切割好的NCF织物精确地装载到蒙皮工具中。

       第一个系统，称之为FibreFORM，由密集270个吸盘组成的吊具（图13.）。吸盘安装在柔性轴上，每个吸盘都能够根据产品三维模型数据，发出指令定位和提供吸力。它可以捡起一块切割好的NCF材料，并小心地将其吸成三维形状，然后将其放在模具上。

       第二个系统，称为FibreROLL，将切割好的、长的NCF叠层卷到滚筒上。此滚筒是吊具一部分。然后将它们吊往模具，精确地展开到模具上。


       综述

       “新320”机翼采用干无卷曲碳纤维织物（NCF）- 灌注环氧树脂基材 – 高温炉固化的工艺路线，无疑是目前最佳的选择。特别是在工序中应用如下创新自动化技术：

• 干无卷曲碳纤维织物（NCF）是在超高速铺放工作站（UHRDCU）内。计算机控制的切割、抓取、吊运、铺放。
• 智能树脂注入系统（IRIS），多点注入基材树脂。
• 模具温度控制技术。

       用此种材料和工艺，确保了高质量、低成本、高速率，生产单通道飞机机翼。空客如果预期在2030年推出“新320”，那么他将稳坐单通道民机，第一把金交椅。在世界民机市场谁是第二？让我们拭目以待。

       引申出以下问题：

       1. 目前所有复合材料机翼的翼肋（包括波音787和空客A350），全是铝合金制造的。“新320”翼肋用什么材料，cy未见报道。

       “新320”机身研发中，使用新型高温、高性能聚醚醚酮（PEKK）热塑性树脂碳纤维复合材料。其中承受较大压缩载荷的门框也使用这种热塑性复合材料制造。按此，翼肋也能使用这种复合材料制造。A320一侧机翼有18个翼肋。如果全机36个翼肋都用复合材料制造，其减重效果将十分明显。

       2. FACC(奥地利一家制造复材结构件公司。2009年被中航工业西飞收购。)他给俄罗斯研制MC-21原型复合材料机翼时，曾经用过赫氏（Hexcel）的OoA HiTape（厚度达30mm）碳纤维无捻纱带及其HexFlow灌注树脂。后来采用苏威（Solvay）的干碳纤维无捻纱带PRISM®TX 1100 和 PRISM®EP 2400增韧树脂。

       主要经验是，一.碳纤维与基材树脂要匹配。二. 复材机翼的制造质量不取决于结构类型，而是取决于能否保持对工艺参数的严格控制。

       3.在制造长60米以上风力发电叶片的翼梁加强件，可以采用干碳纤维无卷曲织物（NCF）- 灌注基材树脂- 高温炉固化的工艺路线。前面提到的SAERTEX（德国萨尔贝克）公司就提供这种干碳纤维无卷曲织物（NCF）。

       4. 铝合金机翼的C919在2030年后，很难再在国际民机市场上竞争。机翼改用复合材料，也是一种选择。改机翼用什么材料、工艺是不言而喻的了。

文章来源：http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-10341.html

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