【航空航天】碳纤维增强热塑性复合材料在客机机舱底板梁中的应用

 

在欧盟联合研究和创新计划清洁航空的资助下，吉凯恩福克（GKN Fokker）与设备供应商马其顿普里莱普（Mikrosam）采用自动铺带技术（AFP）合作开发的一款6米长的热塑性地板梁，用于货舱地板的网格结构和客舱地板梁结构（图1）。此材料采用T700碳纤维（CF）和低熔点聚芳醚酮（LM-PAEK）代替了热固性复合材料（主要是碳纤维增强环氧树脂），因此无需高压釜进行固化成型，减少二氧化碳排放，并采用激光原位连接工艺降低热塑性结构模块组装成本。

 

图1自动铺带技术热塑性地板梁

Mikrosam的研发的自动纤维铺放为8轴AFP，该AFP机器包括多模块化，多材料头和高温激光加热系统，还安装了用于分切热塑性预浸料胶带的模块。在自动纤维铺放成型前，首先通过MikroAutomate软件来模拟AFP机器铺放过程和优化铺放工艺参数，在软件中模拟了设计的层数、铺放路径、拖曳落区和可能出现的间隙、重叠、碰撞问题，通过MikroPlace软件输出用于生成AFP铺层过程的机器代码（图2）。然后，使用东丽先进复合材料（荷兰奈弗达尔）Cetex TC1225预浸带（由碳纤维T700和低熔点聚芳醚酮基体制成）通过AFP机器执行0°，90°和45°的铺放设计。

 

图2 MikroAutomate软件优化地板梁 AFP叠层设计

与此同时，吉凯恩福克还开发了一种自动铺丝+静压膜固结工艺（图3），用于成型长达6米的热塑性翼梁面蒙皮。首先采用CF/PAEK UD预浸带自动铺丝，然后采用气囊或膜施加静压固结成型，该气囊在高温下用惰性气体加压，膨胀以在冲压过程中对零件的所有表面施加均匀的压力。该工艺不仅在推进大型热塑性复合材料（TPC）机身模块成型方面发挥了作用，而且还为吉凯恩福克更有效地生产更大的TPC结构模块奠定了基础。此工艺消除了真空袋和辅助材料的需求，并将生产周期缩短了80%。

 

图3 自动铺丝+静压膜固结工艺