热塑性复合材料助力现代飞机大幅减重

由Victrex、Tri-Mack和Safran Cabin开发的飞机储物箱支架，集成两根碳纤维/PAEK嵌件并以PEEK树脂包覆成型。 结果实现50%质量减轻、20%成本降低和买飞比大幅改善。来源：Victrex

在将金属航空结构转向热固性复合材料方面，大部分“触手可及”的果实——机翼、机身和尾部结构——已被采摘。在下一代飞机中，热塑性复合材料必将在大型结构中发挥重要作用。但目前已有热塑性复合材料的转化机遇。

其中一个鲜见但至关重要的部件类型是：内饰承重支架。这些支架（目前为铝、不锈钢和钛）将隔框、厕所、厨房和行李储物箱固定在飞机地板和机身上。支架形状尺寸多样，取决于安装对象。单个支架重量不大，但每架飞机用数百个支架，总重量相当可观。

飞机内饰专家Safran Cabin（美国加利福尼亚州亨廷顿比奇）意识到这一点，最近转向热塑性复合材料专家Victrex（英国松顿克利夫利斯）和制造商Tri-Mack Plastics Manufacturing（美国罗德岛州布里斯托尔），将铝制储物箱舱支架转化为采用VICTREX AE 250碳纤维/聚芳醚酮（PAEK）单向（UD）预浸带包覆VICTREX PEEK（聚醚醚酮）150CA30聚合物的新设计。

支架呈矩形底座，底座中心突出两根垂直嵌件。底座四角各有一个成型孔用于紧固件；每个嵌件顶端附近也有孔，用于连接销等五金件。嵌件由碳纤维/PAEK材料制成；底座以PEEK树脂包覆成型。

Victrex和Tri-Mack与Safran Cabin合作，提供材料、零件设计优化、加工和工装专业知识，实现设计特征并满足关键性能参数。Safran Cabin提供设计和制造专业知识，确保适用于航空航天服务和认证环境。

Victrex航空航天总监Tim Herr表示，嵌件由Dieffenbacher（加拿大安大略省温莎）Fiberforge设备制造，铺设碳纤维/PAEK UD预浸带构建层压板。层压板经热压固化、修边后水刀切割成嵌件。水刀切割时，每个嵌件底部被切割成波浪形，以便包覆成型时形成机械咬合表面。

嵌件放入模具后，注射包覆成型PEEK。“包覆成型时，”Herr说，“我们在PAEK复合嵌件和注射成型PEEK材料之间建立极强结合。”此关键赋能在于PAEK与PEEK的独特组合。PAEK工艺温度比PEEK低约40°C。这种温差促进两部分形成紧密耐久结合。“没有PAEK的发明，”Herr论证，“这种混合模塑将不可能实现。”

该设计/工艺组合需要大量仿真分析、原型制作和物理测试，Victrex识别出嵌件变形、树脂流动犹豫、结合/界面失效和气孔等设计与工艺缺陷。这迫使设计师回到绘图板优化设计，制造工程师回到注塑机优化工艺。最终设计/工艺组合克服这些挑战，证明了热塑性复合材料包覆支架的可行性。

初始原型支架在Tri-Mack生产。与原铝件相比，原型复合件实现20%成本节省、50%减重和5倍买飞比改善。

“我们需要应对飞机支架等结构件的众多需求，每个案例都有多种载荷、约束和暴露条件，”Safran Cabin研发工程师Tyler Smithson说。“成功关键在于开发灵活的复合材料平台，可用于多个项目，降低零件数和设计复杂度，缩短上市周期，加速变现。”

Victrex表示，混合包覆工艺是可扩展、可重复的技术，有潜力帮助商业航空航天客户降低废品率、缩短循环时间、提升零件整合并减少二次操作。

第二轮设计迭代后的测试结果显示载荷极限和失效条件大幅改善。来源：Victrex

“Victrex以在服务领域引入‘颠覆性’技术方法为傲，利用我们在PAEK材料加工和性能方面的专长加速商业化进程，”Herr评论道。“混合包覆和VICTREX AE 250复合材料无疑属于此类，但这只是开始。我们将在客户和合作伙伴支持下继续测试复合材料产品，以展示这些材料的全部潜力。”

目前支架计划进行最终测试和生产件认证。“目标是于2019年晚些时候让复合支架投入服务。我们已尽一切努力证明该支架性能可靠，”Herr说。

Victrex的Frank Ferfecki、Safran的Tyler Smithson和Tri-Mack的Chris Bjerregaard将于CAMX 2019（美国加利福尼亚州阿纳海姆会议中心）9月24日周二下午2:30在201D室，就Safran混合支架开发进行演讲。