关注2024法国巴黎复合材料展览会——热塑性复合材料 陶瓷基复合材料与创新工艺亮点突出

美国ATC制造公司展示了使用三菱化学集团提供的KyronTEX材料制成的冲压拉伸热塑性复合材料零部件。这种材料将回收碳纤维（rCF）与聚苯硫醚（PPS）或聚醚酰亚胺（PEI0聚合物组合，形成衬垫状产品，主要面向飞机内部的二级结构应用。无纺rCF材料使用长度为1-2英寸的纤维，单位面积重量为250克/平方米和500克/平方米。ATC按照快速、经济的一步冲压拉伸成型的要求，研发了一种直接冲压热塑性复合材料（TPC）垫材的方法，可以在5分钟时间内生产出单个高质量零部件。ATC还与三菱合作开发另一种衍生结构，将织物与rCF垫材结合以提供更高的刚度。

ATC还是“用于制造适应性结构的高度自动化集成复合材料”（简称HAICoPAS）项目TPC机身面板演示验证件的主要合作伙伴，该验证件也在2024年JEC中展示。该验证件采用赫氏HexPly热塑性预浸带制成，使用赫氏AS7和IM碳纤维以及Arkema公司Kepstan聚醚酮酮（PEKK）制成热塑性复合材料。整个组件由不同厂商合作生产完成：

• ATC采用连续压缩成型（CCM）的Omega长桁

• 哈钦森公司采用拉拔成型制造I型和T型加强筋

• 大合采用冲压技术制造Z型框架

• 赫氏使用非热压罐工艺制造机身蒙皮和“C型”框

这些部件使用法国焊接研究院（Institut de Soudure）和阿科玛开发的ISW感应焊接技术进行连接。其他合作伙伴包括：Coriolis复材公司、Ingecal、Pinette Emidecau 工业公司和CNRS实验室。该项目的最终目标是生产可以替代飞机结构中的金属材料（如钢、铝和钛）的复合材料部件，实现成本竞争力并提高生产率。此外，该项目还能够对CF/PEKK热塑性复合材料进行表征。

ATC的平面CCM设备上用6层赫氏IM7/PEKK材料制造长omega长桁，降低了工具和设备的成本与复杂性。

ATC公司也是美国航空航天材料制造中心（AAMMC）的重要合作伙伴，该中心将按照技术成熟度（TRL）6-9级的要求，推进大型TPC航空航天结构和材料的供应，该中心拥有的先进复合材料试验台和技术成熟设施，位于华盛顿州斯波坎市的波音凯旋大楼内。

在美国更快地推进热塑性复合材料和先进复合材料的全面工业化，对于供应链竞争力和国内制造基础形成至关重要。此外，热塑性复合材料为生产轻质、高强度零部件带来了更快的循环时间。如果不显著缩短复合材料零部件的生产时间和单个零件制造成本，工业界就无法满足目前行业对飞机的预计需求进而实现未来净零排放目标。

AAMMC是一个联盟性质的组织，合作伙伴包括一些知名企业和教育机构。AAMMC的目标是为下一代航空复合材料结构开发颠覆性的高效率生产解决方案，并加快实现NASA与航空业承诺的2050年实现零排放目标的能力。该中心是2023年10月成立的31个技术中心之一，这些中心将共同竞标美国联邦芯片与科学基金提供的5亿美元的资金。AAMMC于2024年2月提交了第二阶段竞标方案，要求EDA提供7200万美元，加上行业承诺的800万美元，前5年将获得总额8000万美元资金，之后将自筹经费运营。需要的资金很大一部分将用于研发设备投资，包括生产TPC坯料的AFP（自动纤维铺放机）、用于冲压的大型压力机，以及用于机加工和NDT（无损检测）的设备。第二阶段资金获得者将于2024年夏季公布，资金将于秋季发放。AAMMC的目标是在两年内完成所有设备的安装和调试。与此同时，AAMMC将开始加强劳动力培训。例如，开展以复合材料为重点的机械加工培训。所有参与AAMMC的联盟成员都承诺提供现金和其他相关保障。

德国航空航天中心（DLR）结构与设计研究所在JEC中公布了一段视频，展示其在使用双机器人很对TPC结构进行免工具AFP和无夹具焊接方面的最新进展。与通用原子公司和Mikrosam于2019年展示的技术相似，多机器人模块通过协作减少夹具和模具成本和工作时间，并提高复合材料航空结构设计灵活性。在AI工艺轨迹几何校正，AFP和超声波焊接过程中对结构变形的建模、参数识别和实时补偿等创新功能的辅助下，机器人平台操作精度得到显著提高，能够生产得到更加复杂曲面的复合材料结构。

这项成果的发展也得到了国际社会的广泛支持，主要得益于加拿大国家研究委员会（NRC-AMTC）和德国DLR轻量化生产技术中心（ZLP）之间的合作。ZLP提供飞机结构部件、TPC生产工艺和自动离线机器人编程方面的专业知识，而NRC则为多机器人系统贡献几何和弹性校准技术以及实时路径补偿功能。

ATHEAt（发射阶段高能大气飞行先进技术）项目（2022-2025年）旨在提高可重复使用运载火箭和未来太空运输系统关键高温部件的可靠性。相关组件将通过地面和飞行测试进行验证。使用先进碳纤维和碳-碳化硅基体（C/C-SiC），可为DLR的Viserion+混合动力发动机设计和生产火箭喷嘴扩展件。其目的是通过大幅减少磨损和部件重量来提高喷嘴效率，从而实现可重复使用。作为鉴定工作的一部分，探空火箭的地面测试工作已经得到证实，飞行测试正在准备中。

KoRSICa项目（2018-2022）开发了C/C-SiC活塞环，以取代金属环，实现更高温度、更高效发动机供能。单片陶瓷可以承受极高温度，但作为一件式活塞环结构脆性大。纤维增强陶瓷基复合材料则能够满足强度载荷和弹性要求，基体中的无定形碳增强体强化了自润滑性，可防止结构卡住、发动机损坏的风险。目前这些环件正在接受能源项目的测试。

欧洲航天局（ESA）技术开发元素（TDE）计划下的“C/C-SiC光学工作台研发”项目（2022-2024年，由ESA与法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司（TAS-F）合作完成）。项目目标是使用陶瓷基复合材料开发超稳定卫星光学工作台，以实现高刚度和接近零的热膨胀。该项目最终完成了一个通用演示验证件（600×600×60毫米），其中包括基于原位连接的C/C-SiC插件接口，以避免金属插件可能出现的最小局部形变。该演示验证件将由TAS-F进行测试。

意大利航空航天研究中心（CIRA）展示了“太空骑士号”（Space Rider）的CMC部件，“太空骑士号”是一款欧洲航天局开发的可重复使用无人机器人实验飞行器，主要面向商业和机构客户。“太空骑士号”尺寸与两辆小型货车差不多，是一种端到端的运载工具，旨在提供经济实惠且独立的太空通道。“太空骑士号”将发射升空，在轨道上停留1-2个月以完成科研和商业任务后返回地球。

CIRA研发的飞行器鼻锥部件是迄今为止最大的熔渗CMC结构之一。该结构采用ISiComp——一种利用碳纤维增强碳化硅（C/SiC）基体的专有CMC技术，由CIRA 和意大利Petroceramics公司联合开发。基于ISiComp鼻锥、机腹部件和机身襟翼构成了“太空骑士号”的热保护系统（TPS）。鼻锥部件最初采用碳纤维增强的酚醛树脂绿色壳体，通过热解转化为陶瓷，Petroceramics公司完成热解和硅熔体渗透。经离子风洞测试，确认该部件能够承受多次往返大气层的工况条件。当暴露在高焓高超声速流中，该部件表面将产生1500℃的温度，能够坚持6个超过14分钟的循环工作周期，每个循环周期都完全代表了从低地球轨道重返大气层，总暴露时间达到破纪录的90分钟。目前，CIRA和Petroceramics生产的ISiComp部件正在完成实验鉴定，目标是在2024年底至2025年初将飞行单元集成到“太空骑士号”。

CIRA还展示了在空间中应用的独特碳纤维增强热固性聚合物（CFRP）栅格结构，其中包括意大利Avio公司的Vega C（织女星C）发射器的2/3级间结构，以及中型卫星中心体、可展开天线吊杆和锥体适配器。2004年，CIRA开始使用湿法和预浸料缠绕工艺制造栅格结构。到2009年，CIRA获得了“平行缠绕”技术专利，该技术能够提供一种高效且可扩展的方法来创建螺旋肋和环向肋交错的各向异性栅格结构。

CIRA将该技术称为“网格平行缠绕和液体灌注”。该技术使用机器人接头缠绕螺旋干纤维丝束，筒架同时进给丝束以缠绕环向肋，二者形成交错结构。结构边缘处心轴中的销钉可以形成环，避免切断纤维，结构本身也具有抗损伤能力。

英国高温材料系统公司成立于 2021 年，在JEC展会的“初创企业加速创新技术”（Startup Booster）区域展出，致力于开发可承受300-1000℃温度的定制氧化铝基体CMC材料。迄今为止开发的产品包括：

• KappaCera：是一种新型CMC材料，即使在高温环境下也具有低介电常数，是将先进纤维集成到HTMS最先进的基体产品中，并优化整个体系内化学成分而得到的创新结果。

• CarboniteX：将高强度碳纤维融入HTMS的先进基体体系中，从而将基于碳纤维材料体系的操作极限，提高到远超目前应用的温度水平。

• PhantomWeave：多功能CMC体系旨在满足军用领域复杂要求，结合了低可观测特性和耐高温能力。

• IgniShield：一种低密度材料，采用编织玄武岩纤维和HTMS专有基体材料制造，专为汽车、航空航天和能源等领域的防火烟毒应用而设计。

德国BJS陶瓷和BJS复合材料公司分别成立于2014年和2015年。BJS采用专有工艺生产SiC纤维，品牌为Silafil。该公司还使用Silafil预陶瓷聚合物作为基体渗透碳纤维和SiC纤维增强材料，以制造Keraman CMC材料和零部件。

BJS拥有全部基于欧洲地区的产品供应链，正在向航空发动机、航天和其他国防领域销售CMC零部件，这些领域需要高强度、耐高温和热冲击性的产品。BJS能够提供按需制造服务以及原型制造和小批量生产服务等。

BJS正在开发一种专有工艺，使用浆料中的短切SiC或碳纤维3D打印CMC零件，并逐步向使用长纤维探索。该公司还在开发增强金属基复合材料（MMC）的纤维，以应用在起落架等部件中以减轻重量。

此外，许多公司都在扩大产能。航空航天和国防领域的需求不断增加的同时，能源行业的需求也不断增加，包括核裂变和聚变过程中，冷却泵不能出现故障。CMC业适用于恶劣条件下的进行水管理的泵，如海水淡化（盐）和应急泵（泥浆、淤泥）等。CMC提供终极耐用性，确保重要基础设施的安全和持续运行。

关于CMC零部件在核领域的应用潜力，BJS公司指出，CMC可以改变游戏规则。根据其客户调查结果，由于CMC耐热性、高损伤容限和抗辐射性，SiC/SiC组件可以使聚变反应堆的发电量翻倍。这也是未来长期努力的方向之一。

瑞典Corebon公司开发了模块化、适应性强的感应加热技术，可以对现有生产设备进行改造以提高产能。它能够实现非常快速、均匀的实施加热，消除长时间停留，将循环工作时间缩短高达80%，从而节省50-80%的能源。该公司展示了其加热板产品、感应焊接装置和外壳工具解决方案，它们可能使用相同电源和控制设备。其加热板产品包括：

• CorePlate一体式加热和冷却板（500×500毫米），用于集成到压力机中。以35℃/分钟的速度加热至275℃，以120℃/分钟的速度冷却（加热和冷却分别比传统方法快3-4倍）。多个相邻板可用于大型零件几何形状和多腔工具。

• CorePlate Adapt仅在防止模具的地方使用感应加热，最高加热温度可达到22℃，最快加热速度35℃/分钟。可定制尺寸以适应各种压力机。将板材装入压机并将模具放置在每个板材上。可根据要求提供冷却。

• CorePlate Tailor专为不同几何形状而设计，非常适合大批量生产，能够以高达100℃/分钟的速度加热至220℃。可根据要求提供冷却。

意大利Unwind3D公司是工业编制机供应商德国ZSK公司的子公司。Unwind3D与全球客户合作，为TPC零部件的生产提供定制化解决方案，这些解决方案受益于定制纤维铺放（TFP）技术（通过ZSK设备实现）的使用。

该公司展示了使用感应加热九腔钢制工具的Spidui成型单元，展示了采用PA6基体的TPC预成型件的快速压缩成型循环（<5分钟）。Corebon感应加热线圈位于顶部和底部模具的每个型腔中。通过水或空气实现冷却。一体化软件可实现用户便捷操作。