德国航空航天中心及其 “NATURE” 项目合作伙伴正将超薄碳纤维增强 LMPAEK 材料应用于薄壁航空结构件。来源 | 德国航空航天中心（DLR）
要研发下一代更轻便、更高能效的航天航空复合材料结构，不仅需要重新审视结构设计，还需革新材料本身。德国航空航天中心(DLR)结构与设计研究所(位于斯图加特)及旗下轻质生产技术中心(位于奥格斯堡)近期在 “NATURE” 项目中达成重大里程碑，并取得优异成果 —— 通过自动铺丝技术(AFP)，采用 LMPAEK 热塑性聚合物(由英国克利夫利的威格斯公司生产)制成的超薄碳纤维增强预浸料，成功制造出层压板。
该预浸料由日本福井县的福井化学工业株式会社生产，其纤维面密度(FAW)仅为 36 克 / 平方米，厚度仅 45 微米。这种预浸料极薄，层压板的每一层在垂直方向上仅含 7 根纤维。其厚度约为标准碳纤维 / LMPAEK 材料的三分之一，这意味着在通过调整纤维方向以实现最佳性能时，设计灵活性提升了三倍。
“NATURE” 项目：
减少航空领域二氧化碳排放
该项目由德国联邦经济事务与能源部(BMWE)资助，实施周期为 2023 年至 2026 年，核心目标是研发新型轻量化直升机结构，并在全生命周期内全面降低二氧化碳排放。
弗劳恩霍夫 IGCV 研究所的重点成果
来源 | 弗劳恩霍夫研究所、LiezDesign - Adobe Stock
项目合作伙伴包括空客直升机公司、弗劳恩霍夫 IGCV 研究所与德累斯顿工业大学。他们正全面考量从材料生产、制造技术，到结构建造、实际运营及报废处理的全阶段。这种 “从摇篮到坟墓” 的全生命周期理念，可避免因单独优化某个工艺步骤而产生的负面连锁效应。项目最终旨在建立可持续设计原则与制造流程，大幅降低航空产业的生态足迹。
薄壁表面结构与创新连接技术
航空航天领域现代碳纤维增强聚合物(CFRP)构件的生产涉及多个高能耗工艺步骤，尤其是在金属与胶粘剂等不同材料的钻孔和连接环节。最终制成的结构件重量，在很大程度上取决于预浸料的性能与厚度。
在 “NATURE” 项目框架下，由设计、材料科学、工艺工程领域专家及直升机专项应用场景专家组成的联盟，正研发一种创新结构制造方法 —— 以带伪空心型材加强筋的薄壁壳结构为基础。这种设计能在不影响结构机械完整性的前提下，实现显著的减重效果。
德国航空航天中心(DLR)的热塑性复合材料超声焊接技术
位于奥格斯堡的德国航空航天中心轻质生产技术中心(DLR ZLP)内，设有高性能热塑性复合材料(TPC)连续超声焊接实验室测试台。来源 | 德国航空航天中心(DLR)
项目的另一核心重点是进一步改进热塑性复合材料(TPC)制造技术，提升铺层与连接工艺的效率。目前正调整热塑性复合材料带铺层工艺，以实现薄壁双曲几何结构的可靠生产。此外，团队还在评估现有热塑性复合材料连接工艺在生物基材料与再生材料上的适用性。
工艺自动化与基于片状模塑料(SMC)的材料
高效利用德国航空航天中心(DLR)热压成型设备与片状模塑料(SMC)测试板
位于奥格斯堡的德国航空航天中心轻质生产技术中心(DLR ZLP)的热压成型设备用于片状模塑料(SMC)加工(左图)；片状模塑料(SMC)测试板用于分析充模行为(右图)。来源 | 德国航空航天中心(DLR)
“NATURE” 项目的另一研究方向是片状模塑料(SMC)结构的自动化制造，具体通过工艺仿真大幅缩短工艺调试时间、降低能耗。片状模塑料(SMC)技术能低成本生产复杂结构构件 —— 这类构件过去多采用金属制造。该技术可完全自动化，且具备高功能集成潜力，为轻量化设计开辟新路径，同时兼具生态与经济双重优势。