波音787梦幻飞机：环氧树脂复合材料新代表

作者：SpecialChem    来源：SpecialChem

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 波音787梦幻飞机――环氧树脂/碳纤维复合材料革命的代表。在波音787上大面积使用环氧树脂碳纤维复合材料，减轻了飞机重量并使创新理念得以实现。当波音公司开始考虑在787梦幻飞机上大量使用结构复合材料时，波音工程师们的直觉是：环氧树脂/碳纤基质结构能大大降低飞机重量，可以节省燃料、扩大飞行范围；但是经过早期对复合材料的集中研究，他们意识到复合材料还可以带来重大的设计变化，这种变化可以让他们进行功能系统集成，也可以改变层流、发展空气动力学。 从材料学的角度看，787梦幻飞机是制造业历史上最大的革命性跨越之一。但是为了实现一项野心勃勃的出货计划――第一批出货时间定在2008年5月――当时存在大量的障碍需要跨越，没人尝试过规模生产巨大的环氧树脂/碳纤维增强复合材料结构，这种材料是热固性材料，处理时间明显要慢于热塑塑料；如此大型部件的关键制模技术当时仍然处于发展阶段，实际上这也是开发项目中的少数羁绊之一；必须开发出新型涂层处理裂纹扩展问题，用铝材就不会有这个问题。工程师们还必须设计不同的系统来应对电流短路问题，因为，树脂基复合材料不导电。材料技术当时对大家来说已经不是新领域了。 “当我们决定在机翼、机身、地楞横梁等部位上使用复合材料时，我们实际上只是在制造777飞机时积累的大量生产经验铺垫的道路上再往前走一步，”787技术集成主任、波音公司前任全材料技术总工程师Alan G. Miller博士说。“当时我们知道象型稳性一类的事情。我们也知道复合材料会怎样冲击制造流程；我们有许多设计上获批的资料库，我们有很大的信心，这种信心来自于我们的客户。”在波音777飞机上复合材料只占重量的9%，而在波音787上复合材料占到重量的50%。在整个777飞机时代碳纤维增强复合材料的性能、制造技术和费用结构都有所提高。根据不同的具体应用需求，787飞机上使用了几种不同种类的复合材料，包括双马来酰亚胺。还有些较小的部件是用短纤维制造的、可以塑成各种形状，在飞机的内部装饰上也大面积使用了热塑性工程塑料，但是这与以前的设计没有多大不同。 所有的复合材料都是由世界最大的碳纤维生产商Toray Industries公司提供的。据估计，从2004年起，波音公司已经向Toray公司定购了价值60多亿美元的复合材料，这些订单对复合材料的价格和其他用户的货物供应造成了压力。这一估计数字是根据2006年以后的计划生产量得出的，而这些数据由于787飞机令人瞩目的成功已经成为过去。在2003年底，Toray公司碳纤维产品的生产能力是7300公吨。到2007年夏天，该公司的产能达到13900公吨。这段时间内，公司在碳纤维产品上的投资接近10亿美元。公司产能的扩大来自于美国(华盛顿州的Tacoma公司和阿拉巴马州的Decatur公司)以及法国和日本客户的需求。在787飞机的带动下，聚丙烯腈类碳纤维的需求量一年增长了15%。随后的需求增长将来自于汽车市场和CNG燃料罐一类与能源相关应用的全面进入。 技术上需要解决的几个问题首先是规模生产问题。复合材料的生产过程要明显慢于热塑性工程塑料的生产过程。“我们以前没有碰到过如此大量的应用(在梦幻飞机以前)，”Miller说。“复合材料产业以前从来没有处理过这种情况。那是一座我们必须跨越的山。”Miller认为，传统机械模具生厂商提供了大多重要的解决方案。Cincinnati Machine Co公司就是一个例子，该公司为787梦幻飞机供应新的浸带叠层系统和纤维编制系统。 “高速精确的铺叠技术加快了工作流程，缩短了制造日程，并且降低了工序成本，” Cincinnati Machines公司复合材料总经理Randy Kappesser说。利用自主知识产权的、编译自CAD(计算机辅助设计)和层压资料的软件程序，这些最新型的设备可以把浸带铺叠成非常复杂的几何形状。该软件可以允许离线部分编程和模拟，包括碰撞干预。 树脂半固化片中的增强纤维被确定了具体方向，只在需要的方向上才具有最大的强度。半固化片指的是已经用树脂浸制过的纤维基质。由于大小(和飞机一样大)和技术的发展问题，模具也是当时一个比较大的问题。在那之前，复合材料模具主要用在造船方面，而造船还不是大规模生产行业。“仍然处于努力发展中的技术领域是模具制造，”Miller说。“利用独特的设备装置，复合材料的模具制造可能相当讲究，或者说，如果你不十分注意的话，非常笨拙和繁重......我们必须预先与我们的技术合作伙伴碰面，以确保这项技术是成熟的，能够满足我们的生产日程需要。”大型复合材料模具结构材料的金牌标准一直是一种叫做不胀钢的铁镍合金，这种材料非常适合这一用途，因为其热膨胀系数(CTE)是可以控制的。不胀钢的一个问题是，不太易于按照制造系统要求弯曲，而让材料易于弯曲一直是波音公司几年来的一个主要目标。 一个主要的替代选择是“软质”模具，这种模具也是用复合材料制造的。铝材不合适，因为铝的热膨胀系数不符合要求。由于在B2隐形轰炸机项目中出现过问题，软质模具的名声不太好。梦幻飞机的制模技术是绝对受产权保护的，但还是有一些关于华盛顿州Janicki Industries of Seedro-Wooley公司的技术细节被泄漏出去。Janicki公司是一个历史悠久的游艇制造商，该公司为梦幻飞机开发新型的软质模具，这种模具除了经历过一次众人皆知的灾难之外还算成功，那次是树脂配方出现错误导致了漏水和心轴损坏。“创新不只是在材料方面，也出现在怎样建造模具方面，”Miller说。比如，Janicki公司就承接定制过3台五轴数控(CNC)碾磨机，这些碾磨机的外形尺寸有88 x 19 x 8英尺之巨，并且精确度达到了±003英寸。 不只是重量问题――复合材料值得大家做出这样的努力，这种材料明显已经走上了飞机行业的快行道，“我们得到的好处远远不止是降低了飞机重量”，当时研发人员认为：我们还看到把很多功能集成到一个系统中越来越实用的方法，结构系统也是声阻尼系统的一部分，也是热传递系统和电子系统的一部分，复合材料的使用会增长，因为这不再只是结构问题了。这还不是全部的好处。复合材料机身的优等强度可以使客舱内出现更高的耐压力，更容易控制客舱内温度、湿度和通风。从耐腐蚀和老化方面来讲，复合材料比铝材更持久耐用，并且大大减少了扣件铆钉的使用。从本质上来说，787飞机的结构就是一个庞大的巨分子，所有部件都是通过树脂/碳纤增强的交联化学键连接在一起。“早些时候，我们就决定建造一个一体性机身筒体，”Miller说。“我们没有使用搭接接头，因为我们是把它们包裹起来的。” 复合材料的好处随着波音公司工程师们经验的增加而增多。“我们发现了制造更好舷窗的方法，并且我们这样做，还改变了那一部分机身负载转移的特性，”Miller说。“这样我们就可以再回到一体机身筒体的想法上，并且再一次减轻了该设计这一部分的重量。最终，我们比最初设计节省了三倍重量。”另一项好处来自于金属与塑料交接处(引擎机舱入口与引擎机舱结构的接合点)层流的扩展(1.5库比特)。 波音公司预计只这一项设计改进每年就可以节省20000加仑燃料。这是制造技术、材料技术和成形技术的巨大联合，或许就是成形技术让我们切实能够在空气动力学的表现上取得了又一次飞跃。复合材料的弊端是什么？复合材料不会生锈，但是也会有一个光致氧化过程，所以复合材料必须上漆。这样就有了关于梦幻飞机的另一个技术故事。“我们开发出一种中间层机身涂层，”Miller说。“我们的客户可以剥掉或改变机身的喷漆颜色而不会触碰到里层的复合材料。这就是说他们不需要进行磨光。” 另一个问题与其说是弊端还不如说是一个不同。复合材料结构与铝材结构需要进行的热管理和电动管理不一样，铝在本质上具有更高的导电和导热性能。比如在不导电的复合材料上就不需要象在铝结构上一样过多考虑移动电流问题。“我们现在解决这些问题比3年前聪明多了，”Miller说。考虑到全球巨大的相关供应链，到底是谁在拥有梦幻飞机的开发技术呢？“这要看是谁支付了费用，”Miller说。“如果是我们支付了费用，就可能是我们拥有，并且我们可以在该项目范围内与大家分享。”如果一家供应商贡献了自己的知识产权，那么这项技术就可能是由这家供应商拥有。所有的主要合作伙伴都有大量自主的研发项目，并且明显想在自己的技术诀窍和其他的飞机制造项目之间取得平衡。这就是波音公司在具体技术合作伙伴方面采取保密措施的一个原因，比如关于模具制造商的保密措施。同样，供应商任何信息的媒体披露也都受到波音公司的严格控制。(end)

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