多层热塑性带材、AFP与树脂浸渍实现复合材料生产普惠化

Novotech（意大利那不勒斯）1992年由那不勒斯"费德里科二世"大学教授Leonardo Lecce创立，源于大学分拆。Lecce现任CEO表示："支持通用航空企业，提供意大利全境研发服务。为飞机部件做结构分析，协助飞机开发。"

紧邻制造波音787复合机身段的Leonardo工厂，Novotech 2014年起聚焦复合材料。从Coriolis Composites（法国凯旺）采购自动纤维铺放（AFP）单元，开发非高压釜（OOA）加工，含树脂浸渍和热塑性复合材料制造，专长AFP原位固结。

参与众多行业研究项目：

• MESEMA（更电飞机磁弹性能量系统）
• SARISTU（智能飞机结构）
• ASAM（飞机机构先进仿真）
• LAMITECH（混合复合材料自动铺层创新测试方法）
• PROALATECH（创新CFRP水平尾翼结构表征与修复方案分析）
• FACE（友好飞机客舱环境）
• AIRGREEN 2 - CLEAN SKY 2（下一代支线飞机创新机翼概念与方法）
• SISTER CHECK（AFP无损检测创新系统研究集成）
• TRINITI - CLEAN SKY 2（飞机多材料热塑性高压氮气罐）
• NHYTE - H2020（OOA制造新型混合热塑性复合航空结构）

Lecce称："与英国Cytec有特殊关系开发新复合材料工艺。" 注：Cytec被Solvay收购，指Solvay Composite Materials英国希诺站——创新历史悠久，含近期经RAPM计划测试的双膜成型工艺。"最近此类活动开发OOA热塑性工艺，用创新压机结合PEEK（聚醚醚酮）和PEI（聚醚酰亚胺）成新复合材料。" 新材料、设备、工艺已在NHYTE项目中演示碳纤增强塑料（CFRP）飞机弦条制造，采用AFP原位固结与焊接。

NHYTE项目

欧盟地平线2020资助，NHYTE 2017年5月至2020年10月实施。项目协调员兼Novotech CTO Dr. Marco Barile解释："NHYTE利用非晶粘结实现热塑性复合材料（TPC）可持续温度工艺条件。" 非晶粘结（见下图）为NHYTE合作伙伴Leonardo（意大利罗马）航空结构部门专利概念，其在意大利南部有多生产基地。

Barile："用NHYTE开发材料，克服AFP原位固结（ISC）半结晶PEEK聚合物需400°C下处理的材料限制。仅加热至非晶PEI层215°C玻璃化转变温度（Tg）上方。PEI熔融冷却更快，无需PEEK那样严控。" 可用其他非晶热塑性，选PEI因其与多AFP航空结构演示器验证的PEEK粘结良好。

NHYTE新材料在Novotech设计连续压机生产。Orma Macchine（意大利贝加莫）供压机本体，COMEC Innovative（意大利基耶蒂）供卷绕放卷模块。"压机产连续卷材再分切成AFP用窄带，"Barile说。三材料从左入压机（见上图）。"顶底PEI中间PEEK。"半结晶PEEK提供一级结构所需高力学性能，非晶PEI层提供快速简便熔融粘结。"控制压机板材压力冷却，从约400°C起至终板<200°C。结果为三输入层组合的单一材料。"

新型热塑性带材制造中已固结，AFP中仅需加热熔融压实PEI层实现非晶粘结。结果为全固结PEEK-PEI带与PEI-PEI层层板（见Leonardo专利）。此AFP工艺较现用PEEK/PEKK带AFP ISC障碍少。当前AFP ISC需加热带材与基材至熔点、铺带、压辊固结精控冷却使半结晶聚合物达结晶度30-40%、孔隙<3-5%获结构性能。

批评称AFP ISC太慢——铺放速率60-100 mm/s，而"两步法"（快速AFP铺放+炉/高压釜二次固结退火层板热应力）达600-700 mm/s。Barile："我方材料可达非典型ISC那样慢的AFP铺放速率，AFP加热温度亦可控300°C以下。可缩小与现有标准材料性能差距。" 此处对比热塑性复合材料AFP ISC与波音787、空客A350用热固性复合材料。"大部件如机身段，高压釜固化负担性问题。热塑性支持更经济生产，但现有航天级材料高温慢AFP速率。我方方案有助解决。连续压机使带材达约30%结晶度，零件已具该结晶度，AFP仅操作非晶层。虽仍实验材料可改进，但NHYTE目标是单步制造工艺用于结构航空航天应用。"

带材与AFP优化

Barile："首批多层带材在Novotech制造。" 用Sabic（沙特利雅得）Ultem 1000无填料分切膜作PEI，Solvay APC-2/AS4碳纤增强PEEK带。总厚≈0.26mm，PEI层1或2密耳（0.001或0.002英寸）。项目一期制备两变体多试样测层间剪切强度（ILSS）验证混合热塑性材料制造工艺。小试样经NHYTE合作伙伴Applus Laboratories（巴塞罗那）测全范围力学性能含拉压强度模量、开孔压缩（OHC）、填孔拉伸、冲击后压缩（CAI）、勉强可见冲击损伤（BVID）、流体调节后性能。

"我们无热塑性复合带材供应商经验，材料质量可改进。例：纤维体积分数厚度向高低变化，影响带材层板性能含ILSS。但NHYTE旨在验证概念，已达成。"

图示可见新材料AFP工艺优化需大量实验工作。"也用实验设计（DOE）优化AFP参数，NHYTE合作伙伴南布列塔尼大学（USB，法国洛里昂）开发工具通过预测数值仿真改进激光加热负载。"Barile注。

仿真先验证APC-2带预测工具质量，再应用新多层材料。相关论文投稿《Composite Structures》。"建模压接点热传导，"Barile说。"实验验证数值预测。需确定铺放速度、聚合物熔流、复合层板老化[煮制]间最佳妥协。ISC过程多变量平衡。关注新铺带落于工具上已铺带的温度降降。若能管控温度变化，可降层板残余应力。评估铺放中温度变化。必须按路径形状层向定制加热。"

弦条与机身演示器

下步造弦条演示器：先小规模固定压机造样，再连续弦条成型演示器验证工业量产所需。弦条经CETMA（意大利布林迪西）研发机构开发感应焊接接AFP机身蒙皮面板演示器。

新多层材料对感应焊接有优势否？"基本同等处理，"Barile说。"但CETMA定焊接工艺参数不易，因新材料碳纤含量低于标准带。" 弦条演示器及最终机身面板演示器经Applus测试。NHYTE合作伙伴巴斯大学（英国巴斯）和Leonardo Aircraft也用NDI评估面板弦条质量。

Barile："制备大量试样小件及大演示器。Applus测试结果考虑制造工艺较低成本相当好。强度刚度比标准热塑性带材低20-25%，但已识别工艺改进应助提升。"

NHYTE 2020年10月30日结项。"拟启新项目纳入所有构想改进，"Barile说。"已证明材料制造、AFP原位固结、连续成型、感应焊接工艺。现需进一步优化工业化。" Novotech寻求同一联合体引入新伙伴推进。

值得注意的是，Leonardo也在改进AFP原位固结用感应焊接和可快速加热冷却TPC带。此外，IMDEA材料研究所（马德里）和FIDAMC（马德里，长期AFP原位固结领军）研究者刚发表PEI/PEEK多层复合材料鼓舞结果。更多技术文献见NHYTE出版物。

SWING项目

新通用航空智能机翼（SWIGN）获Piaggio Aerospace（意大利维拉诺瓦达尔本加）背书，意大利经济发展部（MISE）共同资助。除Novotech，意大利联合体含技术开发公司Protom（那不勒斯）牵头、Laer Aeronautical Manufacturing（艾罗拉）、A. Abete Aerostructures（诺拉）、航空航天设计专家ItalSystem（阿韦利诺）。目标之一：适配自动化非高压釜（OOA）复合工艺——含AFP和液体树脂浸渍（LRI）——低成本可持续生产小型飞机，以Piaggio P.180 Avanti前机翼为演示平台。

Lecce："思路在两主件造P.180前机翼：上下面板，均含集成弦条肋条一体成型。"

"始于我们作英国Solvay合格实验室工作。2015年起合作AFP、LRI、热塑性复合材料新材料工艺。用Solvay PRISM TX1100干纤维带AFP造干预制件，再浸渍Solvay PRISM EP 2400增韧环氧树脂烘箱固化。在AIRGREEN 2项目框架下为Clean Sky 2绿色支线飞机计划工作，后延续SWING项目。" 注：PRISM TX1100和PRISM EP 2400经联合飞机公司认证用于首个树脂浸渍机翼商用飞机——AeroComposit制造伊尔库特MS-21单通道喷气客机。

成型上下面板将结构胶粘接后明年静力测试。"并行表征另一基于TX1100干带和Covestro（德国勒沃库森）树脂共混物的复合材料，可作航天级树脂有效替代，特别适用需更高生产速率领域，"Barile补充。"性能不及那些体系，但浸渍良好满足机翼盒要求。降本必有妥协。望此推动AFP技术进入通用航空，亦可用汽车领域。"

TRINITI项目

Novotech也参与Clean Sky 2 TRINITI项目——飞机多材料热塑性高压氮气罐，2019年启动2021年结束。Novotech切入源于与意大利航天公司开发演进。Barile："曾验证AFP用多层带材造运载器低温燃料罐对比现用缠绕工艺潜力。本质上TRINITI将开发类似NHYTE多层材料概念再用AFP原位固结造罐。"

"AFP相对缠绕优势：可决定材料放哪，不受连续缠绕约束。考虑端盖因缠绕无法切料料堆积多。AFP可在需处切断重启纤维/带，材料仅用于所需处。从而管理带间间隙防气体渗透。缠绕做此须增料，且AFP用窄带非粗纱。原位固结免高压釜。已证AFP可行且极具性价比。"

"CETMA现进行气体渗透测试评估多层材料性能对比规格，"Barile说。课题经理Diehl Aviation（吉尔兴和德累斯顿）提供飞机灭火系统用高压长贮氮气罐要求：地面-55°C至85°C、飞行-40°C至70°C、压力达1000 bar。

"目标减重减工步，"他注。"但此法制造成本须界定。不放多余料省重，但缠绕比AFP快。另因素：此型罐典型有金属/塑料内衬外缠CFRP。TRINITI尝试无内衬（V型）罐。"通过低孔隙AFP层板避免气体渗透。现用不同材料组合在CETMA测试准备下选。再造原型罐，但罐设计取决于下选材料与最终工艺。正为此努力。测试活动由CTL Composites（爱尔兰戈尔韦）执行。

SEAGULL项目

挑战性SEAGULL项目三年前启动。Lecce："目标开发新一代小型水上飞机，融合新复合制造技术、混合动力推进、自动折叠机翼（已开发专利）。意向短距起降（STOL）飞机，与垂直起降（VTOL）竞争但更经济。信其可成任意表面操作个人飞机，为未来航空与出行重要可能性。"

SEAGULL团队测试混合动力系统，造首个水上原型，10月开始水上测试。Lecce："测试完成后再造飞行原型，几个月内。团队极资深，含50年以上通用航空经验显赫企业。"

SEAGULL飞行原型将含复合机身、尾翼、机翼。Barile："继续推动AFP和树脂浸渍自动化制造应用。此类工艺复合材料主要问题之一是材料成本。确实我们在寻找更普惠成本的材料工艺组合。"