[材料应用] A350 XWB上的碳纤维技术

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芳纶预浸料

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发表于 2015-11-11 01:19:22 | 只看该作者回帖奖励

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2012年，赫氏公司商用飞机部门的业务量占其全年15.8亿美元总销售额的60%。由于飞机生产率的提高以及新项目的增加，从2004年至2012年，该部门的营收以11%的复合年增长率获得增长。来自波音和空客的业务是赫氏商用飞机部门的两大主要营收来源，而过去几年中，这两大公司都在逐渐增加复合材料的使用（见图1）。

赫氏与空客的新型A350 XWB宽体双喷气发动机飞机的订单，是其迄今为止最大的一笔订单，预计将在其合同期内赚得40-50亿美元。

赫氏公司采用HexTow?IMA中模量碳纤维的HexPly? M21E预浸料用于A350 XWB机身壁板、龙骨梁，以及整个机翼（包括蒙皮、桅杆以及中央翼盒）和尾翼的制造（见图2）。赫氏在每架飞机上的材料用量预期将超过400万美元。

对于赫氏公司而言，A350的首飞将是赫氏8年来在产品研发和技术鉴定工作上的一个高峰，同时也让这家公司达到新工厂投建和生产设施扩建的顶点。

材料开发

通过一项包括预浸料和相关产品在内的全复合材料提案，赫氏公司在2008年获得空客的合同，为A350 XWB主体结构供应碳纤维材料。这项合同所涉及的研发工作包含了纤维和树脂两方面。赫氏公司的研发与技术副总裁Paul Mackenzie解释说，对于任何一种预浸料而言，纤维都是其中最重要的成分。他认为，赫氏公司能够为A350项目提供满足其需求的增强中模量碳纤维，这是赫氏公司发展中的一个重要方面。这种碳纤维是HexTow IMA，它能提供非常优异的机械性能，包括高拉伸强度（850-900 Ksi）和拉伸模量（40-42 Msi）。
赫氏公司在为航空和航天工业供应结构预浸料方面具有悠久的历史。该公司的8552和HexPly M21系统在空客公司的飞机上广泛应用，比如A380和A400M项目。Mackenzie介绍说，赫氏公司的化学家开发了能够提高韧性和耐久性的HexPly M21E环氧树脂，确保纤维性能在固化的预浸料层压板中得到充分优化。这种预浸料以单向带的形式向市场供应，在纤维自动铺丝（AFP）工艺和铺带（ATL）工艺中应用时，这种单向带产品能被精巧地撕裂。

全球供应链

赫氏面临的一个更大的挑战是向A350的全球供应链及时提供原料。全球大约有30家一级供应商与空客公司一起，共同使用HexPly M21E/ IMA预浸料生产A350的结构件，其中包括Aerolia、ATK、GKN、Premium Aerotech，以及Spirit。

赫氏公司副总裁兼欧洲/中东和非洲/亚太地区总经理Thierry Merlot认为：“超越技术，也超越了我们产品的机械性能，我们获得成功的主要原因是拥有一个好的供应链，能够及时满足空客公司及其全球供应链对预浸料产品的巨大需求。”

为了生产此项目所需的大量原材料，赫氏公司引入了一种用于低成本大规模预浸料生产的新模型。其中包括在它的英国Duxford工厂内采用一种连续加工工艺，生产具有较紧重量公差的树脂膜。这种生产方法提高了树脂膜的品质、生产准确性和一致性，让客户更容易控制零部件生产中固化铺层的厚度。

在英国生产的树脂膜被运送到赫氏公司在法国、西班牙和德国的工厂。该公司在这三个工厂中投资了新的预浸料生产设备，能够生产具有高品质的单向预浸料。如果需要，这种预浸料可以撕裂（针对ATL和AFP工艺）。然后，它被运送到附近的空客公司生产厂及其位于欧洲和美国的一级供应商手中。

赫氏公司的报告称，这个供应链模式进一步缩短了交货时间，响应性更强，减少了材料的运输，在使用点交付，所需包装更少，同时减少了库存和冷藏空间。

为了支持A350项目，赫氏公司大大扩充了其碳纤维预浸料的产能。为了满足对HexTow碳纤维需求量的增加，赫氏在美国阿拉巴马州Decatur的PAN前驱体生产厂增加了新的产线；在美国盐湖城的全新碳纤维生产线也被启用；此外，赫氏还在西班牙Illescas建立了其碳纤维欧洲制造工厂。预浸料方面，除了在英国新建的基体树脂工厂，和在西班牙、德国和法国扩建的预浸料工厂外，赫氏在盐湖城的新工厂也在最近开始了试运行。

新技术

Mackenzie还谈到了赫氏用于未来飞机项目的两项新技术。除了预浸料技术之外，这家公司还开发了热压罐外成型产品，希望能提前预期到航空制造的未来需求。

赫氏在JEC展会上推出的HiTape?就是一个例子。这是一种单向带产品，用于飞机主结构的热压罐外成型。据说，该产品的机械性能与预浸料相当。

“这是一种单向带产品，能够带来很高的体积分数，以预浸料技术为例，体积分数可达58-60%。但更重要的是，该产品具有非常高的沉积速率，可以达到每小时50千克。”Mackenzie解释说，“当制成预成型件后再浸渍树脂体系，通过热压罐外固化工艺得到最终部件。”

这项技术研发能够采用热压罐外的固化工艺，节约了加工成本；此外，该技术也表现了很好的机械性能。

Mackenzie也着重介绍了HexMC碳纤维/环氧树脂模压材料，非常适用于模压成型形状复杂的零部件。

这是一种基于预浸料系统的短切纤维产品，所以也具有非常出色的机械性能。这种机械性能甚至可以发展到对某些钛金属目标产品的替代。MacKenzie表示，“因此，从HexMC产品你看到的是一系列在夹子、拖架、盘形件等不同类型产品中的应用。这种材料已经确定在波音787飞机上使用，在A350上的应用也正在考量中。”

首航

A350 XWB飞机已于今年夏天完成了它的首航试飞。预计A350的启始客户卡塔尔航空公司将在2014年年中收到他们的第一架飞机，并将很快开始这架飞机的飞行任务。

空客公司共计已售出617架飞机（数据截止于今年5月份）。三种机型中最小的一架A350-800（270座）标价2亿5430万美元。