航空結構的可熱成型、可修復和可粘合的智慧環氧樹脂基複合材料

就複合材料在工業中的使用而言,航空部門是重要的領導者,因為

減重是航空追求的一個關鍵因素

,這要歸功於節省燃料的潛力以及由此帶來的飛行成本的降低和CO2和NOx排放量的減少。隨著複合材料在航空領域的強勁增長,預計到

2032年對複合材料的需求會翻一番,碳纖維複合材料已成為人們關注的焦點。

然而,如何實現

製造碳纖維複合材料部件低成本是當前碳纖維複合材料在航空部門應用的主要障礙之一。

到目前為止,大部分生產的航空碳纖維複合材料部件都是使用

熱壓罐工藝

製造的,這是一種

非常昂貴且生產率低

的製造工藝。碳纖維複合材料生產需要以穩健的材料和工藝以及穩固的製造供應鏈為基礎而快速提升,其中

更高的生產率和降低成本是至關重要。

AIRPOXY專案旨在

透過引入系列新型熱固性複合材料來降低航空領域複合材料部件的生產和維護成本

,該系列材料保留了傳統熱固性材料的所有優點,而且還可以輕鬆加工和維修及回收利用。

AIRPOXY稱此為

3R(可再加工性、可修復性和可回收)

新一代智慧環氧樹脂複合材料,該複合材料透過使用動態固化劑獲得,可在固化的熱固性樹脂中產生可逆交聯。一旦生產出3R複合材料,固化樹脂的動態化學鍵可以在確定的外部刺激(例如溫度或暴露於特定化學試劑)下重新排列。

AIRPOXY專案

具體目標:

航空結構的可熱成型、可修復和可粘合的智慧環氧樹脂基複合材料

圖 AIRPOXY概念

1。 透過開發新的熱固性加工技術,即3R熱成型技術,與傳統熱壓罐製造成型工藝相比,比熱固性碳纖維複合材料部件

製造成本降低了35%以上,製造效率提高了100倍

,自動化水平更高。

2。 如將當前與維修或更換熱固性碳纖維複合材料部件相關的

MRO

(維護、維修和大修操作)

成本降低50%

。這將需要透過應用SHM技術對分層和樹脂微裂紋損壞的早期檢測和量化相結合來實現,以進行快速修復,並開發

比當前修補技術快55%

的新3R修復技術。

3。 如將當前熱固性碳纖維複合材料部件的粘合劑粘合成本降低50%以上,並將其

粘接強度提高20%

。這將透過開發一種稱為3R鍵合的新鍵合工藝來實現。

4。 使用生命週期評估(LCA)和生命週期成本(LCC)方法來量化3R碳纖維複合材料部件在使用壽命結束(EOL)與傳統碳纖維複合材料部件的

可回收性方面的環境優勢。

AIRPOXY專案

主要成果:

航空結構的可熱成型、可修復和可粘合的智慧環氧樹脂基複合材料

圖 演示器設計(風扇整流罩和前緣子元件)

演示器的規格、製造和組裝過程以及材料特性已確定。同時還定義了風扇罩(FC)和前緣(LE)的子元件。

航空結構的可熱成型、可修復和可粘合的智慧環氧樹脂基複合材料

圖 風扇罩縱向加強筋連續壓縮成型模具

首先,3R環氧樹脂已被配製並表徵為可用於熱成型工藝。此外,還生產了幾種經久耐用的預浸料和層壓板。經久耐用的預浸料和層壓板被用於研究兩種熱成型加工策略:即

連續壓縮成型(CCM)和不連續壓縮成型(DCM)

。最適合的製造方法和工藝引數將被用於將3R技術從實驗室升級到工業規模及演示部件製造。另一方面,傳統的RTM和SQRTM工藝也是適用於3R環氧樹脂在生產3R層壓板中的應用,該層壓板可用於3R粘合和修復。

兩種用於粘合劑粘合和焊接的3R粘合劑薄膜已被配製、製造和表徵。實現了3R粘合劑配方的目標,並確定了粘合引數。使用新合成的3R粘合膜和層壓板,搭接剪下強度已達到20MPa左右。還進行了粘合部件的機械測試。

在3R焊接工藝方面,已經制造出表面帶有3R薄膜的SQRTM面板。焊接引數已定義,焊接複合部件的機械特性測試正在進行中。粘合結構的模擬已經完成。已選擇內聚力建模方式來描述模型中粘合劑的行為。工作包括模型實現以及內聚引數的識別和驗證。該方法應用於2個程式碼,以評估每個程式碼模擬3R粘合劑的潛力,並擴大模擬的可能性。

考慮SHM和修復技術,NDE技術已應用於各種幾何形狀的試樣,以檢測由機械測試所引起的缺陷。在某些情況下,無損檢測方法已線上應用於模擬服務場景。傳統複合材料和3R複合材料的抗擊打性已經做了評估。對不同的3R生產工藝進行了首次SHM和機械測試,同時評估了首次修復效率。

航空結構的可熱成型、可修復和可粘合的智慧環氧樹脂基複合材料

圖 按照航空標準設計和製造的工具正在組裝用於風扇罩演示器

兩個演示器(代表FC和LE的子元件)的設計都已完成,並且工具的設計和製造正在進行中。LE腹板和FC縱向加強筋的熱成型模擬可以驗證零件設計並提供指導。已經定義了驗證演示器的測試,並討論了用於SHM和維修驗證的試樣。LCA、LCC和HHRA基線技術已經開發。正在將這些參考場景與AIRPOXY技術場景進行比較,並且正在量化收益。

超越現有技術和預期潛在影響的進展

(包括迄今為止專案的社會經濟影響和更廣泛的社會影響)

1。 展示降低成本的能力和使用新一代複合材料和非常規制造方法提高生產率的能力:與熱壓罐工藝相比,複合部件的製造成本降低了37%,複合部件的組裝成本降低與粘接工藝相比降低53%,與修補工藝相比,複合材料部件的維修成本降低50%。

2。 展示透過開發快速節能的熱成型製造工藝來提高生產率的能力。生產速度將透過3R熱成型工藝成倍增加。

3。 提高創新能力,確保新知識的整合,並將專案研究成果交付給歐洲航空工業/社群。

4。 透過聯盟中一級工業合作伙伴的存在和新型創新材料的開發(CID專利申請WO2015181054-A1)來增強歐盟競爭力。

5。 AIRPOXY目標的實現和AIRPOXY 3R樹脂的工業實施將代表重要的環境效益,全面支援歐洲的環境政策,主要是與二氧化碳減排和塑膠廢棄物管理相關的政策。

6。 社會影響:降低機票成本、減少化石燃料的消耗和依賴、減少有害氣體的排放、更高效的生產鏈和供應鏈、創造就業機會和教育。

參考資料:AIRPOXY專案資訊

特別感謝:

重慶大學王新築老師

對於內容的稽核及修訂!

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