塑料在航空製造中的作用與日俱增——輕量化需求為熱塑性複合材料創造新角色

過去十年，碳纖維複合材料已經成為航空工業的寵兒，收到了無數的讚譽和廣泛的關注，這種增強的聚合物極大改變了許多種機體的設計和製造方式。複合材料的持續火熱，讓傳統的塑料悄然踏入民用、商用和軍用飛行器領域。新一代飛機數年內就要飛上藍天，熱塑性複合材料將伴隨其中。

像丙烯腈二乙烯丁二烯（ABS）、聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPS）這樣的塑料目前正廣泛用於航空製造。聚醚醯亞胺是航空工業中的另一款明星材料，因為用它生產的零件可以滿足美國聯邦航空管理局（FAA）嚴格的火焰、煙霧和毒性（FST）要求。聚醚醚酮（PEKK）是一種先進的高溫工程聚合物，擁有良好的力學性能、耐化學腐蝕性、熱穩定性和阻燃性。新牌號PEKK，如HT-23，其高強度和輕質使其成為有競爭力的鋁替代品。

塑料一般用於內飾產品，如風道、座艙隔板、地板和頭上行李架。它還用於航電感測器板、電子組件安裝托架和通風葉輪葉片。用於結構則包括翼肋和翼梁。此外，塑料也用在飛行器外部，比如郵箱蓋、起落架輪轂蓋、掛架整流罩和雷達罩。

塑料相比鋁和其它傳統航空材料擁有許多優勢，如輕質、高強和高耐久性。像PEEK這樣的耐熱、無腐蝕性塑料可以代替金屬緊固件和螺釘，不需要對現有零件的整個設計進行任何更改，可以直接替代OME組件。托架、襯墊、導向裝置、密封裝置、間隔裝置和墊圈是輕質航空組件，耐熱塑料可以超越金屬，提供熱和機械穩定性、絕熱性能、零可燃性、真空中的低氣體釋放，以及耐燃油和其它化學品腐蝕。

熱塑性機身壁板驗證件（GKN航宇福克）

一、飛機結構——舊塑料的新角色

儘管傳統塑料已經使用了幾十年，航空工程師還在尋找其新角色。

航空零件生產商工程塑料產品公司（EPP）總裁Alex Curtiss表示：「每年，越來越多擁有獨特性能的塑料正被創造出來，並且正在替代金屬材料，這些特性特別適合特定的用途。塑料通常因其高強質比和多種現代化合物的天然抗腐蝕性而成為首選。由於飛行器和航空組件通常是小批量生產，絕大多數塑料零件似乎不適合用模塑法，而是從基礎外形加工而來。另一個優勢是許多塑料材料是自潤滑的，無需加入動物油和石油基的潤滑油，它們會導致著火或爆炸危害。」Curtiss表示：「最近塑料技術有所提高，推動了航空產品中的承載、扭矩控制和齒輪傳動能力極限的提升。擁有超級熱、化學和輻射抗性的優質牌號，讓塑料在航空工業中扮演越來越重要的角色。

密歇根技術大學機械工程和材料科學教授Gregory Odegard表示：「航空工業中聚合物的使用正在增加，特別是飛行器。過去鋁是主要材料，因為其重量和成本相對低，並且耐腐蝕和耐疲勞。不過，在近二十年來，聚合物材料慢慢替代了鋁，特別是飛行器的結構上。這一增長出現在所有領域，包括小型軍用和大型商業飛行器。目前還有巨大的興趣增加太空梭的複合材料用量。比如，NASA剛投資1500萬美元，為深空載人任務開發下一代複合材料。」

儘管有許多優勢，一些航空工程師仍不情願轉換到塑料上來。Odegrad表示：「聚合物複合材料壁板比鋁壁板更難製造，也就更昂貴。而且，工程師們與鋁打了數十年交到，擁有海量的知識和信心。聚合物複合材料更新，而且我們仍在努力掌握它們在許多條件下的行為。比如，我們還不完全掌握聚合物複合材料如何響應長期老化。所有聚合物都會在自然條件下老化，聚合物分子結構會發生非常緩慢的催化，可能許多年才發生。聚合物還會因為暴露在潮濕、紫外輻射和高溫環境下而加速老化。我們仍需更多地了解這些老化機理及其對複合材料機械完整性的影響。」

Odegard表示：「鋁製機身的一個重要優勢就是緩解閃電擊中帶來的損傷。鋁導電性好，這意味著電流可以很容易穿過飛機。不過，聚合物複合材料的導電性就相對要低。因此，必須在波音787的機身上增加一層額外的銅網，以耗散閃電的電流。」

G650公務機熱塑性複合材料舵面比傳統材料輕25%（GKN航宇福克）

二、熱塑性替代熱固性——重新思考複合材料

航空工業當今最大的一個趨勢就是，越來越多的使用熱塑性複合材料替代熱塑性複合材料，而傳統上是用後者來製造複合材料零件。由於熱塑性複合材料可以被融化，固化就不那麼關鍵。熱塑性複合材料也沒有熱固性複合材料那麼脆弱，可以用多種方式焊接。使用熱塑性複合材料製造大型整體組件可以不需要膠接，裝配的機械接頭也不那麼複雜。熱塑性零件裝配不需要墊片。

Victrex公司高級技術經理Stuart Green表示：「最近幾年，許多傳統的金屬航空結構都被疊層的先進碳纖維增強熱固性聚合物複合材料代替，以求減重、提升燃油效率，最終降低運營成本。當前，對使用熱塑性碳纖維複合材料的興趣越來越大，比如那些基於PEEK的材料，以提高製造生產率並滿足飛行器對提速生產的迫切需求。」

Victrex最近與Tri-Mack塑料製造公司組建了合資企業TxV航空複合材料公司，加速聚芳醚酮（PAEK）複合材料在航空工業中的商業應用。新公司提供的複合材料組件和組裝件，可以比常規金屬設計減重達60%。公司宣稱熱塑性複合材料的製造工藝和時間以分鐘計算，而它所替代的熱固性複合材料則以小時計算。

Tri-Mack塑料總裁Will Kain表示：「未來20年估計會需要35000架新飛機，而航空工業正將熱塑性複合材料視作一個可支撐如此增長率的高成本效率解決方案。PAEK熱塑性複合材料的高效加工和性能優勢，加上先進的自動化製造技術，將使我們滿足工業界的成本和重量挑戰。商用飛機使用數千個托架和系統連接附件，飛機上這些組件的總數量是可觀的成本和重量，尤其是它們由金屬或熱固性複合材料製造。PAEK基組件可以比常規熱固性複合材料更高效地製造。比起不鏽鋼和鈦，它們可以顯著減重，同時提供同等或更好的力學性能，如強度、剛度和疲勞性能。」

空客A380熱塑性複合材料機翼前緣（空客）

GKN航空旗下福克公司是熱塑性複合材料的開拓者。公司的工程師最近使用該技術生產空客A380飛機的機翼前緣、里奧納多AW169直升機的水平尾段，達索和灣流新型公務機的方向舵和升降舵。GKN製造了灣流G650公務機的完整平尾，包括熱塑性方向舵和升降舵，組件比傳統材料減重25%。組件由感應焊連接，取消了昂貴的鑽孔和鉚接工作。

福克公司採購和供應鏈管理副總裁Toine Verbruggen表示：「降本是通過使用快速、自動化的熱塑性複合材料加工實現的。同時，重量通過設計薄壁結構保持低重量，該結構因熱塑性聚合物的性質而極為堅韌。未來，更多主承力結構零件將由這種創新材料製成，在未來航空項目中扮演重要角色。」

AW169直升機熱塑性複合材料水平尾段（萊昂納多）

法國大合公司最近與波音簽署了一項合同，為787飛機提供熱塑性複合材料結構零件。這些組件將代替原本使用傳統熱固性複合材料製造的零件。大合航空航天與防務業務高級副總裁Nicolas Orance表示：「熱塑性複合材料技術在未來很有前途，可降低航空工業製造航空結構的成本。」公司計劃使用自動化和機器人來優化法國南特工廠的製造工藝。

Orance指出：「除了材料性能外，熱塑性複合材料比熱固性材料受到的生產環境約束更少，比如有限的貨架是保存期限、低溫存儲必要性，以及製造中潔凈間條件的要求。用熱塑性複合材料製作的飛行器零件也更具恢復力，提供了其它材料不可能的回收潛力。此外，熱塑性基體的固化只用很短時間的加熱加壓，從而擁有更快的生產時間。」

熱塑性複合材料翼肋比金屬材料輕35%（大合公司）

三、列印塑料——複合材料的增材製造

增材製造也在改變塑料在航空工業中的使用。比如，Victrex已經開發了新型PAEK牌號，可用於列印外形和尺寸複雜的飛行器組件。Victrex美國公司新興業務總監Robert Mckay表示：「工程師想要同樣的材料、同樣的性能，可用於注塑成形和其它更成熟的製造方法。他們想要啟動PEEK的3D列印生產，再無縫轉移到注塑成形，或者拿一個注塑成形的零件並用3D列印定製。在航空工業中，工程師想要能在所需環境中存活的聚合物，可能是一系列溫度和腐蝕化學品。他們還想要已經服役多年經證明的材料。」

法國Latecoere公司是飛行器艙門、機身和布線線束的領先供應商，其工程師正使用熔融沉積成形來生產可代替金屬組件的塑料零件。公司研發和創新中心複合材料與增材製造經理Simon Rieu表示：「採用該技術對設計和製造來說都是轉型。增材製造已經無縫集成到我們的設計和生產流程中，我們已經享受到減少的生產準備時間、降低的成本和增強的運營效率。」

Rieu表示：「我們最近生產了一個3D列印的樣件，以驗證飛行器艙門內飾襯板的配合和功能。之前，這要用鈑金件並通常很費時的工藝。而我們在2天就生產了一個具備完全功能的樣件，減少了95%的生產準備時間。」此外，Rieu及其同事還為空客生產了可以上天的聚醚醯亞胺零件，比如攝像頭外殼和空氣管外殼組件，比金屬的輕很一半。

增材製造技術還讓某些航空公司可以創造定製設計的塑料零件，用于飛行器座艙。比如，阿聯酋航空最近使用選區激光燒結技術生產了視頻監視器罩和座艙通風口網格護欄。零件用3D系統公司的Dureform ProX FR1200尼龍聚合物列印。公司工程保障服務高級副總裁Ahmed Safa表示：「該技術有潛力降低座艙零件重量，而不會破壞結構完整性或外觀。使用3D列印還將帶來許多好處，包括數千飛行器座艙內飾組件的更高效的庫存管理。」

Safa表示：「能夠短時間內按需列印組件，我們將不再需要保持大量的備件庫存，或長時間的等待替換組件。視頻監視器罩比傳統製造方法的組件輕9-13%。」阿聯酋航空的飛機座艙零件已經進行了許多結構、耐久性、可燃性和化學試驗。它們正等待歐洲航空安全局的試航認證。

（航空工業發展中心劉亞威）

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