陈济桁 ? 日本东丽公司推出新一代碳纤维预浸料产品，拉伸强度和抗冲击性能又提升30%
2017年3月7日，日本东丽公司在其日文官方网站上宣布，针对航空航天市场需求，推出新一代碳纤维预浸料。该产品拉伸强度和抗冲击性能相比上一代均提升了30%，不但解决了长久以来碳纤维产品高模量和高韧性不可得兼的技术难题，同时还对温度极值（极高温和极低温）有很好的耐受性，充分满足了航空航天产品应用的技术需求和市场期待，是具有巨大应用潜力和价值的重磅产品。
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一、什么是预浸料？
预浸料是由树脂基体在严格的控制条件下，通过浸渍纤维增强体制成的树脂基体与增强体组合物，可直接用以制造加工成各种复合材料构件。具体来说，预浸料是复合材料的半成品，但它具有一定力学性能的，而这些力学性能是复合材料性能的基础，基本上可原封不动的带入到复合材料及其构件中。此外，复合材料成型时的工艺性能也取决于预浸料的性能。
图1 东丽卡(TM)预浸布----聚丙烯腈基碳纤维预浸料，主要以完全渗透树脂的薄板型碳纤维的形式存在（日本东丽公司图片）
图2 我国国产彩丝混编织物及预浸料（山东威海光威复合材料有限公司图片）
预浸料的原材料是增强体和树脂基体。增强体主要包括碳纤维（如图1所示）、芳纶、玻璃纤维以及它们组成的织物（如图2所示）；树脂基体主要为热固性树脂（环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等）和热塑性树脂（聚苯硫醚、聚醚醚酮等）。常用的热固性预浸料的铺覆性和粘性较好，容易操作，其具有下列优点：
l 预浸料可作为复合材料的原料，使用方便，免除了复合材料制造过程的备料、现场混料和浸透工序。
l 成型过程清洁、可控。
l 空隙率低，可以提高制品的品质和均衡性。例如，航空用品要求复合材料结构中的空隙率低于1%，由于使用预浸料能够把空隙率降至最小，基本上消除制品的缺陷。
l 耐疲劳性好。
l 热膨胀系数低。
l 制品厚度、纤维体积分数可控。
制造预浸料制品的工艺多种多样，其中以生产叶片、船艇、车辆内部部件所用的真空袋压工艺和生产在航空航天装备中应用的高性能复合材料结构所用的热压罐工艺最为常见。
二、预浸料制品已取得广泛的应用
预浸料作为复合材料了原料，成功挖掘了纤维增强复合材料所具有的潜力和优势，为复合材料进军高性能要求的制品领域奠定了坚实的基础。在过去的60多年里，预浸料的工业技术和品种在欧美发达国家获得了长足的发展。目前全世界范围内知名的预浸料主要厂商日本东丽、美国赫氏、瑞士固瑞特、美国氰特、荷兰／美国腾卡特等。日美两国垄断了全球95%的高端碳纤维制品市场，其中日本东丽公司和美国赫氏公司一直处于全球预浸料技术的发展前沿。
图3 波音787“梦想班机”中复合材料用量达到50%，整机机身、机翼等多个部位均大量使用了碳纤维复合材料（美国波音公司图片）
日本东丽公司是波音787“梦想班机”主结构部件用复合材料的最大供应商，供应的材料是由公司旗下牌号Torayca 3900系列的高度韧化的环氧树脂配合增强碳纤维组成的第三代预浸带。这种预浸带有各种宽度的无纬带、纤维铺放用的窄带以及织物，可热压罐成型，固化温度180摄氏度，具有良好的耐热性和耐冲击性。3900系预浸带中大部分将采用T800S高强中模碳纤维。T800S纤维是东丽公司碳纤维制备工艺改进的成果，属所谓的大丝束碳纤维，它比此前的T800H纤维生产效率更高、来源更广。在波音787“梦想班机”上，东丽公司的预浸带用途非常广泛，应用的部位包括飞机尾翼主承力结构、主翼、前机身段、部分中机身段、后机身蒙皮及桁条、后机身舱隔框，整个中央翼盒等。此外，波音787的货舱门及检查口盖等部件也采用东丽公司的预浸带来制造，并用热压罐固化成型。目前T800S/3900-2预浸料产品已被广泛应用于各类航空航天产品中，成熟度高，迄今为止已积累了近三十年的生产经验。
作为东丽公司的主要竞争对手，美国赫氏公司在预浸料产品市场中也具有不俗的竞争力。空客公司旗下A380宽体客机和A350客机广泛采用了复合材料，其中A350系客机复合材料用量高达52%，而赫氏公司正是空客公司预浸料制品的主要供应商。赫氏公司向空客供应了牌号为Hexply 8552和Hexply M-21的预浸料环氧树脂基体，固化温度180摄氏度，可在120摄氏度的环境中工作，具有优良的韧性、强度和耐损伤特性，在A380和A350客机的机头，前机身段、中机身段、后机身段蒙皮、机翼前后翼梁、机翼上下板件，机翼前缘和固定后缘、中央翼、襟副翼和尾翼等部位均有大量的应用。除上述民机领域外，在美军F-22，F-35以及未来远轰型号中，也大量使用赫氏、氰特等美国本土企业提供的复合材料预浸料产品。
三、东丽公司的新型预浸料在树脂性能方面取得提升
近年来，随着航空航天工业对轻量化结构的需求不断扩大，对飞行载荷和抗冲击性能等力学指标也有了更高的要求。作为生产碳纤维复合材料的两大基本原料，人们对碳纤维和基体树脂的品质也相应地有了更高的要求。
此次问世的新一代碳纤维预浸料，技术突破的关键在于树脂。东丽公司为新一代预浸料产品开发了牌号为3940的热固性树脂。这种树脂能充分发挥东丽旗下碳纤维材料的性能优势，从分子层面提升碳纤维复合材料的力学性能。东丽公司通过工艺技术升级，实现了对树脂的分子构造和固化反应的精确控制，有效压缩了分子链之间的空隙，提高了分子网络的致密程度，突破了现有预浸料产品高模量与高韧性无法共存的技术难题，从而研发出二者兼得的高性能3940号系列树脂。该树脂在力学性能方面有了长足的进步，同时具有优异的耐热性和抗冲击性，因而可以在最为严苛的太空环境下正常作业，恰好满足了航空航天工业的技术需求。
2014年3月，日本东丽公司曾宣布成功研制了第三代碳纤维T1100G，是目前强度最高的碳纤维。但目前采用T1100G碳纤维制成的预浸料，多采用东丽旗下2574环氧树脂，其固化温度130摄氏度，性能方面尚不如3900-2，无法发挥T1100G碳纤维的最大性能。而3940号树脂理论上可与T1100G碳纤维相结合，产生目前可号称世界上性能最强的碳纤维复合材料。其拉伸强度和抗冲击性能与T800S/3900-2相比，大幅提升了30%；同时，抗压能力和抗剥离性能也有了不小的提升，而这些都是航空航天工业所看重的技术指标。这种新型碳纤维复合材料可以减轻部件20%的重量，在航空器机翼、机身、发动机等结构和部件上拥有广泛的应用前景。
四、未来，预浸料加工工艺还将进一步优化
东丽公司在此次公告末尾中表示：“航空航天工业是东丽最为看重的市场之一，在资源投入方面享有优先和便利。未来，东丽公司将进一步开发新一代碳纤维预浸料的加工工艺，加大制品研发力度，力求满足航空航天工业的市场需求。”从新产品研制成功到最终批量生产并实现工业化应用，还需要经历工艺的改进，在保持产品性能的前提下，进一步降低成本，提高制造效率。从东丽的公告中我们可以看到，随着航空航天领域对预浸料制品需求的不断提升，如何进一步优化预浸料加工工艺已成为产品未来工业化应用的关键，同时，工艺问题也可能成为制约预浸料进一步发展的瓶颈。
图4 英国GKN公司使用微波固化，使OOA固化周期缩短了80％（缩至90分钟）。由于只加热复合材料，微波炉比热压罐更具效率，它不仅缩短了加热和冷却的时间，还降低了能耗（英国GKN公司图片）
随着碳纤维行业的发展，碳纤维预浸料工艺逐渐呈现了由传统热压罐工艺向非热压罐工艺（OOA，Out of Autoclave）的转变的趋势。这种脱离热压罐的预浸料工艺，主要采用真空袋压和热炉固化，在航空航天用复合材料结构件，特别是主结构件制造领域，相对于传统热压罐预浸料工艺更加灵活，成型更快，最重要的是具有低成本的经济优势。这种工艺在一些次级结构件中（襟翼、整流罩）已经实现了应用。美国空军认为，非热压罐预浸料工艺对实现快速且低成本制造至关重要，这也符合美国国防部打造未来军事平台的需求。而在商用飞机领域，非热压罐预浸料工艺的应用，将帮助原始设备制造商实现生产灵活性、摆脱尺寸以及模块化的工作流程的限制。
图5 2006年美空军部长下达任务开发一架验证型军用运输机，美国防部要求只用不超过5000万美元的经费和18个月的时间来完成。洛马公司用一架多尼尔328飞机参加了美空军研究实验室（AFRL）的竞争招标。该飞机增加了一个全复合材料、18米长的机身，它分8块制造，采用英国先进复合材料集团（ACG）提供的MTM-45预浸料经过OOA固化制成（美国洛马公司图片）
尽管非热压罐预浸料工艺拥有诸多好处，它目前依然有很多问题需要解决。其中比较严重的一个问题就是需要进一步降低该工艺产出预浸料的孔隙率，提高产品质量，这也是制约该工艺应用于航空航天主结构件的主要问题。此外，由于采用这种新型工艺生产的预浸料属于全新的材料，缺乏原始数据积累，必须建立完整的A-基值、B-基值和S值等设计许用值完整数据库，并通过相关机构的认证，这需要时间和金钱来完成。目前，材料和制造业普遍认为，非热压罐预浸料工艺可以为缩短复合材料生产周期，降低生产成本做出显著的贡献，而其成型质量与热压罐固化成型的产品质量之间的差距正在缩小。可以预见，未来几年，世界各国将在非热压罐工艺的研究上持续发力，为新一代高性能预浸料产品的大规模工业化应用铺平道路。
（中国航空工业发展研究中心陈济桁）
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今日搜狐热点3后机身[2-3]；机身16~18段在德国的Ausburg生产，也是；19段在西班牙的Illescas生产；后机身的压力框和地板构件均在德国的空客Aerot；一项专用于制造压力框的技术，已在A380、A40；机身龙骨梁虽然主要受力件用了钛合金结构，但该梁尺；机翼的复合材料构件制造[2-4]1前翼梁制造；A350的前翼梁是长为31.2m的结构件，是Sp；MTo
后机身[2-3] 机身16~18段在德国的Ausburg生产，也是4个复合材料板件组合，工艺流程基本和中机身一样。汉堡是空客A380主要部件的生产区，有强大的复合材料构件制造能力。在汉堡完成系统件***后也运到法国到图卢兹总装厂。
19段在西班牙的Illescas生产。 后机身段（16~18段）与后机身桶子段（19段）对接成后机身。后机身桶子段和波音787机身生产方法类似，在纤维铺放机上铺设。
后机身的压力框和地板构件均在德国的空客Aerotec工厂生产。压力框用CFRP制造，其工艺方法VAP(Vacuum Assisted Process)是一种抽真空渗渍工艺。这是该公司发展并取得专利的一项专用于制造压力框的技术，已在A380、A400M和波音787中使用。其特点是将纤维布剪裁缝合或纤维丝编织成产品形状，铺放在工装上进行密封，将外部的树脂熔化，真空抽入，开发了一种专用的微孔薄膜，隔离空气，可进热压罐也可不进热压罐，是制造出的产品孔隙率低，纤维含量高的一种工艺方法。这也属于热压罐外固化（Out of Autoclave，OOA）工艺的一种。
机身龙骨梁虽然主要受力件用了钛合金结构，但该梁尺寸为16.6m×4.0m，重为1180kg，复合材料件仍占70%。
机翼的复合材料构件制造[2-4] 1
前翼梁制造 A350的前翼梁是长为31.2m的结构件，是Spirit公司制造的最大的梁，也是Spirit公司制造的第一个全复合材料梁，该梁从翼根到翼尖由3部件组成，即长为7m的内侧梁、长为12.7m的中梁和长为11.5m的外侧梁。梁的制造是采用100层碳纤维增强塑料，从内侧梁根部的宽1.8m处逐渐过渡到外侧梁翼尖的宽0.3m处。
M Torres公司是Spirit开发梁生产能力的关键合作伙伴。公司的自动纤维铺放系统相比于普通台架式或柱式机床具有更大柔性和生产率。据报道，这些AFP系统铺设速度高达60m/min，远高于以前的速度，使梁生产工艺经济可行。M Torres公司已经向GKN航宇公司交付一台类似设备，用于生产A350后翼梁。这些机床是为实现沿着梁的边缘严格的U形几何形状而开发的，因为在按45°角铺设到90°弯角时，梁的边缘容易产生许多问题。机床头还可以承受高温和更大压力，适用于低粘度Hexply材料，即用于铺叠与机身壁板的同样M21-E增韧环氧预浸料。每台M Torres机床可以同时在殷钢芯轴上铺2个长为15m的梁，然后转移到热压罐中进行固化。
固化梁要使用自动台架TORRESONIC UT检测仪进行质量检查，该检测仪的检测范围长为15m，宽为2 m。MTorres公司制造框架和装上通用机器人，机器人由德国Kuka Roboter GMBH (Ausburg 德国)公司提供，电子设备由Techaton(Madrid 西班牙)供应。完成的梁部件运到Spirit公司位于苏格兰的Prestwick工厂，3段连接到一起，并与固定前缘和其他定位装置对接，然后交付完整的前缘组件给空客的Broughton工厂进行机翼总装。
后翼梁制造 后翼梁在GKN（Reddich Worchester英国）生产，MTorres公司提供了类似设备。由于该梁要和固定后缘对接，并要承当来自动翼的力，该公司除了制造梁以外，还负责将GE公司制造的固定机翼后缘（FTE）固定到后梁上。并进行最后检验，合格后重新将固定后缘***，以便运输。
后梁包括3段，每段长为10m，最重要的是内侧的那段梁，重约500kg,其根部层压达25~30mm厚，中段梁重为150kg，最外的一段重为100kg。
每段梁都用纤维铺放机铺设，用殷纳钢模具。桶形的，固化后切成2个C形梁。材料是Hexcel的碳纤维环氧预浸料M-21E。带宽为16px。前面已经提到所用铺放机也是M.Torres提供的，五坐标自动控制，模具固定在转动心轴上铺设。机器可按要求自动控制铺放厚度。铺设完后的热压罐固化和检验同前梁一样。
机翼上板件制造 机翼上部蒙皮在空客德国汉堡总部所属的空客Stade工厂生产，此处工房面积为30000m2,不但可铺碳纤维带，还第一次开发了玻璃纤维的铺设，该机翼板件31.6m×5.6m,所用热压罐是当前世界上技术最先进直径最大者之一，能同时固化2个板件。该热压罐据说直径是8m,而空客在制造A380时所用热压罐直径为6m。
除铺制机翼板件蒙皮外，该厂还生产用于该板件的长桁，为此该厂建了一条140m的生产线。在质量控制方面，引进了适用于该板件CFRP内外表面同时检查的的检查系统。对边缘的修整用水切割。在工房里建立了自动运输系统。
该***设施也用于A350垂尾的制造。
机翼下板件制造 机翼下板件在西班牙Illescas 生产，所用技术条件、标准、工艺流程、设备与上板件一致。
上下机翼板件完工后均运至Broughton（英国）进行机翼装配。 Illescas还同时生产A350机身19段。
机翼固定后缘制造 机翼固定后缘由GE公司生产。后缘是蜂窝结构，原用Hexply8552预浸料胶接蒙皮和Hexcel蜂窝芯子Hexweb HRH-36,该芯子由Hexcel下料机加后交到GE公司。现在UMECO公司根据GE的要求开发了OOA的MTM-44-1预浸料，该新材料的特点是密度低，预制品密封袋装好后，抽真空并加温，130℃时开始固化，180℃时固化完成。挥发气少、孔隙率低。由于不需加压，可以不进热压罐，节约造价。 三亿文库包含各类专业文献、行业资料、高等教育、生活休闲娱乐、外语学习资料、专业论文、文学作品欣赏、***空客A350的复合材料构件制造58等内容。　
　复合材料在飞机结构中所占比例越来越大_机械/仪表_工程科技_专业资料。复合材料...新厂房将主要用于空客最新研发项目 A350XWB 主要复合材料零部件的生 产制造。 ... 　飞机复合 材料用量达到约 50% , 空客公司在研究的 A350XWB 复合材料用量将达到...机翼、平尾、垂尾、 鸭翼、直升机机身、尾段等复合材料构件已经实现批量生产。 ... 　5.5 8 11 22+3GLARE 50 52 50~65 复合材料 由以上的波音 787 飞机和空客 A350 飞机结构复合材料应用的历史性突破, 表明大型客机结构已进入复合材料化时代。... 　和空客,在其最新型的大型客机波音 787、A350XWB 机型中, 大幅使用复合材料,...越来越倾向于使用整 体化制造工艺,将多个构件一体化制造,以减少复合材料之间的... 　A350 的复合材料构件的制造工艺
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后机身的压力框和地板构件均在德国的空客Aerotec工厂生产。压力框用CFRP制造，其工艺方法VAP(Vacuum Assisted Process)是一种抽真空渗渍工艺。这是该公司发展并取得专利的一项专用于制造压力框的技术，已在A380、A400M和波音787中使用。其特点是将纤维布剪裁缝合或纤维丝编织成产品形状，铺放在工装上进行密封，将外部的树脂熔化，真空抽入，开发了一种专用的微孔薄膜，隔离空气，可进热压罐也可不进热压罐，是制造出的产品孔隙率低，纤维含量高的一种工艺方法。这也属于热压罐外固化（Out of Autoclave，OOA）工艺的一种。
机身龙骨梁虽然主要受力件用了钛合金结构，但该梁尺寸为16.6m×4.0m，重为1180kg，复合材料件仍占70%。
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前翼梁制造 A350的前翼梁是长为31.2m的结构件，是Spirit公司制造的最大的梁，也是Spirit公司制造的第一个全复合材料梁，该梁从翼根到翼尖由3部件组成，即长为7m的内侧梁、长为12.7m的中梁和长为11.5m的外侧梁。梁的制造是采用100层碳纤维增强塑料，从内侧梁根部的宽1.8m处逐渐过渡到外侧梁翼尖的宽0.3m处。
M Torres公司是Spirit开发梁生产能力的关键合作伙伴。公司的自动纤维铺放系统相比于普通台架式或柱式机床具有更大柔性和生产率。据报道，这些AFP系统铺设速度高达60m/min，远高于以前的速度，使梁生产工艺经济可行。M Torres公司已经向GKN航宇公司交付一台类似设备，用于生产A350后翼梁。这些机床是为实现沿着梁的边缘严格的U形几何形状而开发的，因为在按45°角铺设到90°弯角时，梁的边缘容易产生许多问题。机床头还可以承受高温和更大压力，适用于低粘度Hexply材料，即用于铺叠与机身壁板的同样M21-E增韧环氧预浸料。每台M Torres机床可以同时在殷钢芯轴上铺2个长为15m的梁，然后转移到热压罐中进行固化。
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后翼梁制造 后翼梁在GKN（Reddich Worchester英国）生产，MTorres公司提供了类似设备。由于该梁要和固定后缘对接，并要承当来自动翼的力，该公司除了制造梁以外，还负责将GE公司制造的固定机翼后缘（FTE）固定到后梁上。并进行最后检验，合格后重新将固定后缘***，以便运输。
后梁包括3段，每段长为10m，最重要的是内侧的那段梁，重约500kg,其根部层压达25~30mm厚，中段梁重为150kg，最外的一段重为100kg。
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