[發明專利]一種制備熱塑性復合材料飛機機翼翼肋的方法

有效

• 申請號: 201410707055.6
• 申請日: 2015-08-04
• 公開（公告）號: CN104494164A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 余木火;朱姝;孫澤玉;徐英凱;楊洋;劉衛平;姜麗萍;袁象愷
• 申請（專利權）人: 東華大學;上海飛機制造有限公司
• 主分類號: B29C70/40
• 分類號: B29C70/40;B29C70/54
• 代理公司: 上海天翔知識產權代理有限公司 31224
• 代理人: 呂伴

技術領域

本發明涉及飛機結構件制造技術領域，特別是涉及一種制備紡織結構碳纖維增強熱塑性復合材料飛機機翼翼肋的方法。

背景技術

機翼是飛機的重要部件之一，其主要作用是產生升力、保持平衡。翼肋是機翼內部的重要承力結構件，其對材料有基本的高強度、高模量、輕量等要求。

傳統的飛機機翼翼肋用材為鋁合金。但是，由于合金自重大，熱處理等后加工工藝復雜，制作成本相對較高，且難以實現結構-功能一體化設計，因此隨著輕量化的要求，飛機制造的選材不斷變化。近年來，已有部分飛機(包括商業民用飛機和軍用戰斗機)的機翼翼肋改用復合材料制造。這是一種輕質高強材料，其比強度是硬鋁的6倍。采用復合材料可顯著減輕飛機自重，降低油耗，提高性能。自上世紀70年代以來，復合材料代替金屬材料成為了世界航空制造業的發展趨勢。復合材料使用比例已經成為衡量新一代民機先進性的重要標志，更是提升市場競爭力的重要因素之一。

目前用于飛機機翼翼肋的復合材料多數為碳纖維增強熱固性復合材料，這種材料有三大弱點：第一，不可回收，廢舊品將造成大量環境污染；第二，成型時間長(通常為40分鐘至數小時)；第三，沖擊強度僅為20-45kJ/m²。在2009年，Ticona公司開發了碳纖維織物(CFF)增強聚苯硫醚(PPS)基熱塑性復合材料，用于A340、Fokker50、G650商務機等。

碳纖維織物(CFF)增強聚苯硫醚(PPS)基熱塑性復合材料可回收，成型時間短。然而，這種基于傳統的碳纖維織物熱壓成型方法制備的PPS-CFF復合材料并沒有在更大范圍推廣，因為其存在樹脂對纖維的浸潤性差、制品孔隙率較高、纖維體積含量較低、基體自身強度和韌性不夠高等問題。這造成材料的力學性能與原有的鋁合金相比不高，尤其是模量較低，僅為56-59GPa。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的缺點采用對熔融的PPS/CFF降溫至最高結晶成核溫度以下，通過加載的控制方法改變PPS基體的結晶形貌，從而大幅提高PPS基體的沖擊韌性、拉伸強度和模量；同時通過CFF表面處理改性，提高CFF對PPS的浸潤性和界面結合力，進而提高PPS/CFF復合材料力學性能。用這種改進方法制得的PPS/CFF熱塑性復合材料制備飛機機翼翼肋抗拉強度達到760-1000MPa，模量達到65-70GPa，沖擊強度達到50-65kJ/m²。

本發明所要求解決的技術問題可以通過以下技術方案來實現：

一種制備熱塑性復合材料飛機機翼翼肋的方法，包括以下步驟：

(1)制備PPS/CFF熱塑性復合材料

①熔融：將CFF與PPS薄膜或PPS無紡布交替疊層，升溫至320-340℃，使PPS全部熔融；

②浸潤：待PPS全部熔融后對PPS熔體和CFF加壓至0.5-2.1MPa，使PPS熔體對CFF充分浸潤；

③降溫：以40-100℃/min的降溫速率對浸潤了PPS的CFF進行降溫，降溫至240℃-260℃；

這里以40～100℃/min的速率快速降溫的目的是使PPS在這一特定溫度點進行等溫結晶，如此晶核數量和結晶速率均可控制，且分散性較小；在240～260℃這一特定溫度點的目的是能夠形成一定數量的晶核，從而具有合適的結晶速率；同時使后面施加壓力時，分子鏈比較容易運動。結晶速率太快會降低材料拉伸強度，太慢會增加制造成本；分子鏈若不容易運動，會造成材料內部缺陷。與純PPS相比，最高溫度提升了10攝氏度，因為碳纖維存在會誘導結晶,使PPS在較高的溫度也能成核，并且在更高的溫度加壓可以使PPS基體與碳纖維二次浸潤，降低孔隙率。

④加壓：在240℃-260℃時，加壓至3-7MPa，并在最大壓力值時，保壓5-10min；

⑤冷卻：釋放壓力至常壓，且自然冷卻至室溫，制得所需材料。

(2)模壓成型