JEC World 2024亮點（左，順時針）：用于熱塑性復合材料的Unwind3D感應加熱Spidui成型池；DLR的C/SiC陶瓷基復合材料（CMC）火箭噴管擴展和CIRA利用新型干纖維和樹脂注入并聯繞組制備的復合材料各向異性網格結構。

JEC World 2024（3月5日至7日，法國巴黎）以展示無數引人注目的復合材料零件和發展而聞名。可持續發展仍然是一個共同的主題，展覽中有許多儲氫罐。在這里，分享在展覽中的一些亮點。

關鍵主題

• TPC開發：深拉RCF零件、CF/PEKK航空航天演示器
• 大型TPC航空結構的AAMMC技術中心
• AI輔助無工具TPC焊接
• 火箭噴嘴、活塞環和光學工作臺中的C/C-SiC
• 最大的熔滲C/SiC部件
• 英國定制CMC。
• 德國的SiC纖維和CMC部件
• 感應加熱工業化，多種復合材料解決方案

TPC開發：深拉RCF零件，CF/PEKK航空演示器

ATC的深拉演示部件無需預成型，直接沖壓rCF非織造墊，將其轉化為帶有PPS或PEI基體的KyronTEX熱塑性片材。

ATC制造公司（美國愛達荷州Post Falls）展示了使用三菱化學集團（MCG-日本東京）提供的KyronTEX材料制成的深沖熱塑性復合材料（TPC-thermoplastic composite ）零件。這些材料將再生碳纖維（rCF-recycled carbon fiber）與聚苯硫醚（PPS）或聚醚酰亞胺（PEI）聚合物以墊子產品的形式結合在一起，靶向飛機內部的二級結構。放樣的無紡rCF材料使用長度為1-2英寸的纖維，并且以250克/平方米和500克/平方米面重供應。

ATC業務發展總監大衛·利奇（David Leach）解釋道：“我們希望一步快速、經濟地形成深沖形狀，而不是先固結預成型件，然后沖壓。”。“我們開發了一種直接沖壓TPC墊材料的方法，可以在5分鐘的循環時間內生產出高質量的零件。我們有很長的TPC零件成型歷史，了解用織物和單向(UD)膠帶制成的零件如何在角落形成褶皺。但這種墊效果非常好。我們還與三菱合作開發了第二種變體，將織物與rCF墊結合起來，以提高剛度。”

ATC使用其扁平CCM機器為HEICoPAS項目機身面板演示機生產CF/PEKKω桁條。

ATC制造公司也是HAICoPAS項目TPC機身面板演示機的關鍵合作伙伴，該演示機在2024年JEC World的Mobility Planet上展出。演示器由Hexcel AS7和IM碳纖維與Arkema Kepstan聚醚酮酮（PEKK）聚合物（CF/PEKK）組成的HexPly熱塑性預浸帶制成。組件由不同的合作伙伴和流程生產：

• 采用連續壓縮成型（CCM）的Ω長桁
• Hutchinson使用pullforming的I型和T型加強筋
• Daher使用沖壓的Z型框
• Hexcel使用熱壓罐外（OOA）工藝制造的機身蒙皮和“C型”框

使用蘇杜雷研究（ Institut de Soudure）所和阿科瑪（Arkema）公司開發的ISW感應焊接將這些焊接連接起來。其他聯盟合作伙伴包括：科里奧利復合材料公司、Ingecal、Pinette Emidecau Industries和CNRS Laboratories。其目標是證明復合材料零件可以取代飛機結構中的金屬，從而實現高生產率并具有成本競爭力。該項目還能夠對CF/PEKK材料進行表征。

利奇說：“我們在扁平CCM機器中用六層Hexcel IM7/PEKK 190級材料制造了Ω長桁。”。“通常情況下，你會在雙軸CCM中制作它，這更容易。但我們有一種方法可以在平面CCM中制作Ω形狀，這可以降低工具和設備的成本和復雜性。”

用于大型TPC航空結構的AAMMC技術中心

ATC制造公司也是美國航空航天材料制造中心（AAMMC-American Aerospace Materials Manufacturing Center ）的關鍵合作伙伴，該中心將推動大型TPC航空航天結構和材料的供應基地達到技術準備水平（TRL-technology readiness levels ）6-9。它將包括一個先進復合材料的試驗臺和技術成熟設施，位于華盛頓州斯波坎的波音凱旋大樓內，該大樓由湖畔（Lakeside）公司所有。

用于大型熱塑性復合材料的AAMMC技術中心地圖

大型熱塑性復合材料聯盟的AAMMC技術中心

大型TPC航空結構和材料目標的AAMMC技術中心（上）

區域發展圖（中）和財團合作伙伴（下）。

湖畔（Lakeside）公司營銷總監瑪麗亞·盧薩爾迪（Maria Lusardi）解釋道：“我們認為，在美國更快地將熱塑性塑料和先進復合材料推向工業，對供應鏈競爭力和我們的國內制造基地至關重要。此外，這些材料為生產輕質、高強度零件提供了更快的循環時間。如果不大幅減少復合材料零件的循環時間和每件成本，工業就無法滿足當前對飛機的預期需求，也無法實現凈零排放目標。”。

AAMMC聯盟包括從斯波坎到愛達荷州科達倫的公司和教育機構。它旨在為下一代復合材料航空結構開發顛覆性的高速生產解決方案，并加快實現美國國家航空航天局和航空工業到2050年的凈零排放目標。作為2023年10月成立的31個技術中心之一，AAMMC從聯邦芯片和科學基金中競爭5億美元，于2024年2月提交了第二階段提案，要求EDA提供7200萬美元，外加800萬美元的行業承諾，前5年的資金總額為8000萬美元，之后將自給自足。盧薩爾迪說：“資金申請的很大一部分是設備，包括生產TPC坯料的AFP（自動纖維放置）、大型沖壓機以及機加工和無損檢測設備。第二階段資金的獲勝者將于2024年夏天宣布，資金將于秋季發放。

我們的目標是用兩年時間安裝和調試所有設備。同時，我們將開始加大勞動力培訓力度。例如，這將包括以復合材料為重點的機械加工學徒制。所有聯合體成員都承諾提供現金、勞動力培訓、設備、員工時間、在其設施的機器上的時間或其他有利于中心成員的重大貢獻。我們認為西北（Northwest）科技中心擁有廣泛的人才以及對整個地區和整個航空業的重要影響。”

人工智能輔助無工具TPC焊接

德國航空航天中心（DLR）結構與設計研究所（斯圖加特和奧格斯堡）展示了其使用雙機器人對TPC結構進行無工具AFP和無夾具焊接的發展視頻。與通用原子公司和Mikrosam在2019年展示的技術類似，多機器人單元用于降低夾具和模具的成本和時間，并增加復合材料航空結構的設計靈活性。機器人平臺精度的提高使用了人工智能輔助的軌跡幾何校正，以及AFP和超聲波焊接過程中機器人結構變形的建模、參數識別和實時補償，以產生復雜的彎曲復合結構。

這一發展也是國際性的，是加拿大國家研究委員會（NRC-AMTC，蒙特利爾）和德國航空航天中心輕量化生產技術中心（ZLP，奧格斯堡）之間的合作。ZLP提供飛機結構部件、TPC生產流程和自動離線機器人編程方面的專業知識，而NRC則為多機器人系統提供幾何和彈性校準技術以及實時路徑補償模塊。

火箭噴嘴、活塞環和光學工作臺中的C/C-SiC

DLR展示了三個不同的陶瓷基復合材料（CMC-ceramic matrix composite）項目：

德國航天中心已經開發了陶瓷基復合材料（CMC）火箭噴嘴擴展件，以減少可重復使用運載火箭的磨損和重量。

ATHEAt項目（2022-2025年）旨在提高可重復使用運載火箭和未來太空運輸系統的關鍵高溫部件的可靠性。部件將通過地面和飛行測試進行演示。利用碳纖維和碳碳化硅基體（C/C-SiC），為德國航空航天中心的Viserion+混合動力發動機設計并生產了火箭噴管擴展件。其目的是通過大幅減少磨損和部件重量來提高噴嘴效率，從而實現重復使用。已經在地面測試中得到證實的探空火箭飛行測試正在準備中，作為資格鑒定的一部分。

KoRSICa項目（2018-2022）開發了C/C-SiC活塞環，以取代金屬環，實現更高溫度、更高效的發動機發電。單片陶瓷能承受很高的溫度，但對于單片活塞環來說太脆了。纖維增強CMC滿足機械載荷和彈性要求，基體中的無定形碳增加了自潤滑，可防止干運行以及活塞卡住和發動機損壞的風險。這些環正在接受當地能源項目的測試。

這臺用于衛星的輕型CMC光學工作臺的演示旨在提高剛度，同時最大限度地減少關鍵傳感器的熱膨脹。

 

歐洲航天局（ESA）與法國泰雷茲阿萊尼亞航天公司（TAS-F）合作的技術開發要素（TDE- Technology Development Element）項目“C/C-SiC光學工作臺開發”（2022-2024年）。目標是使用CMC為衛星開發超穩定的光學工作臺，以實現高剛度和接近零的熱膨脹。制造了一個通用的演示器（600×600×60毫米），包括基于原位連接的C/C-SiC插件的接口概念，以避免金屬插件可能產生的最小局部變形。演示器將由TAS-F進行測試。

最大的熔滲（melt-infiltrated ）C/SiC部件

CIRA開發了這種C/SiC CMC機頭，作為歐空局太空騎士號熱保護系統（TPS）的一部分，計劃于2025年首次飛行。

 

Centro Italiano Ricerche Aerospaziali（意大利卡普亞），簡稱CIRA，展示了Space Rider的CMC機頭，這是一個可重復使用的非折疊機器人實驗室，由歐空局開發，面向商業和機構客戶。Space Rider與兩輛小型貨車大小大致相同，是一款端到端的運輸工具，旨在提供負擔得起的獨立太空通道。太空騎士號將發射，在軌道上停留1-2個月，完成科學和商業任務，然后返回地球。

 

據一位美國技術專家介紹，CIRA開發的鼻錐是迄今為止生產的最大的熔滲（melt-infiltrated ）CMC結構之一。該結構使用ISiComp，這是一種基于碳纖維增強碳化硅（SiC）基體的專有CMC技術，由CIRA和Petroceramics（意大利貝加莫Stezzano）聯合開發。ISiComp的機頭、腹部瓦片和機體襟翼構成了太空騎士的熱保護系統（TPS- thermal protection system）。CIRA Space Rider項目負責人朱塞佩·魯沃洛（Giuseppe Ruvolo）解釋說，鼻子最初是一個碳纖維增強的酚醛綠色殼體，通過熱解轉化為陶瓷。“Petroceramics進行熱解和硅熔體滲透。我們在SCIROCCO等離子體風洞（PWT-plasma wind tunnel）中測試了這一部件，并確認其能夠承受多次重返大氣層的條件而不會發生任何退化。它暴露在高焓高超音速流中，產生1500°C的表面溫度，持續六個超過14分鐘的循環，每個循環都完全代表了從低地球軌道重返大氣層，總暴露時間為破紀錄的90分鐘。

 

自2016年以來，CIRA已開發出完全集成的能力，包括用于太空應用的大型CMC組件的設計、新型材料、工藝和測試。如上所述，2018年，第一架演示機在SCIROCCO進行了測試，隨后于2019年進行了全尺寸的Space Rider機身襟翼測試，2020年進行了鑒定模型測試，2022年進行了全面的TPS機頭測試。CIRA復合材料原型實驗室負責人費利西·德·尼古拉（Felice De Nicola）指出，SCIROCCO是世界上最大的等離子體風洞（PWT）設施。“我們還進行振動和熱測試（搖晃和烘烤），并有一個專門用于太空零件的資格實驗室。”

用于織女星C和衛星的干纖維/注入各向異性柵格

CIRA還展示了用于太空應用的獨特碳纖維增強熱固性復材（CFRP）網格結構，包括Avio（意大利Colleferro）Vega C發射器的2/3級間結構，以及中型衛星的中心體、可展開天線吊桿和錐形適配器。2004年，CIRA開始使用濕法和預浸料纏繞制造網格結構。到2009年，它已經獲得了一項“平行纏繞-parallel winding”技術的專利，從而實現了一種高效且可擴展的方法，用于創建交錯的螺旋肋和環肋的各向異性網格結構。

Vega C發射器級間采用CIRA的專利工藝制造，該工藝使用機器人纏繞來形成螺旋肋，而筒子架進給絲束以同時交織環肋。

 

德·尼古拉說：“我們支持Avio生產Vega C級間產品，并與他們合作，在我們的實驗室中使工藝成熟。”。“我們一起在我們的設施中開發了第一批原型機。我們花了2周時間繞制了直徑2.4米、長度2米的織女星級間原型機。在2018年成功完成測試（包括高達750噸的壓縮載荷）后，Avio隨后生產了認證零件。”織女星C于2022年首次飛行，但由于Zefiro發動機噴嘴出現故障，第二次發射后任務暫停?？椗荂計劃在2024年晚些時候恢復飛行，并在2025年進行密集的發射計劃。”

使用CIRA專利工藝制成的復合各向異性網格將螺旋肋和環肋交織在一起，以實現固有的損傷容限，而不會在節點處堆積。

 

該技術被CIRA稱為“網格平行纏繞和液體注入（-Grid parallel winding and liquid infusion）”，使用機器人頭纏繞螺旋狀干纖維絲束，而筒子架同時為纏繞環肋提供絲束，因此它們是交錯的。在結構邊緣的心軸上的銷釘可以形成環，這樣就不會切割纖維。德·尼古拉說：“我們在層壓板中實現了完美的橫截面。”。“因為我們使用干纖維代替預浸料，所以節點處沒有變形和堆積。”這些結構本身也具有耐損傷性。“我們能夠將光纖集成到晶格中，就像我們在一個1.4米直徑、重7公斤的錐形適配器演示器中所做的那樣。這在以色列航空航天工業公司進行了80噸的測試。對于這些干纖維各向異性網格預成型件，我們還集成了交錯的熱固復材凸緣、窗框和局部連接點，然后共同注入和固化整個結構。我們已經成功地測試了這些局部連接件通過肋的螺栓的承載力。”

 

英國定制CMC。

 

高溫材料系統（HTMS，Bristol，英國）于2021年成立，在展會的啟動助推器區域展出，旨在開發可承受300-1000°C溫度的定制氧化鋁基質CMC材料。迄今為止開發的產品包括：

• KappaCera：一種新型CMC材料，即使在高溫環境中也具有低介電常數，這是將先進纖維集成到HTMS最先進的基質系統中并優化整個系統內化學成分的結果。
• CarboniteX：將高強度碳纖維融入HTMS的先進基體系統中，這將碳纖維基系統的操作極限遠遠超出了當前的溫度能力。
• PhantomWeave：一種多功能CMC系統旨在滿足國防部門的復雜要求，結合了低可觀測特性和高溫耐久性。
• IgniShield：一種低密度材料，使用具有HTMS專有基質的玄武巖編織纖維制成，專為汽車、航空航天和能源等行業的防火/防煙/毒性應用而設計。

 

德國SiC纖維和CMC部件

BJS Ceramics和BJS Composites（Gersthofen，德國）分別成立于2014年和2015年。BJS使用專有工藝生產自己的SiC纖維，品牌為Silafil。它還使用Silafil預陶瓷聚合物作為基質滲透碳和SiC纖維增強材料，以制造Keraman CMC材料和零件。

 

“我們有一個全歐洲的供應鏈，”合伙人兼聯合創始人尤塔·舒爾（Jutta Schull）說。“我們正在將CMC零件銷售到航空發動機、太空和國防應用中，這些應用需要高強度、耐高溫和熱沖擊。我們提供按需制造服務以及原型和小批量生產。”

 

BJS正在開發一種專有工藝，在漿料中使用短切SiC或碳纖維3D打印CMC零件。舒爾說：“我們正在研究短纖維，并朝著超長纖維的方向發展。”。該公司還開發了增強金屬基復合材料（MMC-metal matrix composites）的纖維，例如用于減輕起落架的重量。

 

這些公司正在提高產能。舒爾指出：“我們看到航空航天和國防部門的需求增加，但能源行業的需求也在增加，包括核裂變和核聚變，因為冷卻泵不會出現故障。”。“這也適用于在惡劣條件下進行水管理的泵，如脫鹽（鹽）和應急泵（泥漿、淤泥）。CMC提供了極致的耐用性，確保了重要基礎設施的安全和持續運行。”她引用了SiC/SiC泵軸承套的例子，該軸承套已連續生產25年。

 

關于CMC部件在核能中的潛力，尤塔·舒爾指出，“CMC可以改變游戲規則。根據我們客戶的發現，由于其耐熱性、高耐損傷性和抗輻射性，SiC/SiC部件可以使聚變反應堆的發電量翻倍。當然，這些是長期但非常令人興奮的開發項目。”

用于復合材料制造的感應加熱工業化

Corebon展示了加熱外殼工具（左）及其一系列加熱電鍍產品（CorePlate Adapt，右上）

Corebon（瑞典馬爾默）開發了模塊化、適應性強的感應加熱技術，可以對現有生產設備進行改造，以提高產能。它可以實現非常快速、均勻的加熱，消除長時間停留，將循環時間縮短80%，從而節省50-80%的能源。該公司展示了其加熱板產品、感應焊接裝置和外殼工具解決方案，這些產品可能使用相同的電源和控制設備。其加熱板產品包括：

 

• CorePlate一體式加熱和冷卻板（500×500毫米），用于集成到壓力機中。以35°C/分鐘的速度加熱至275°C，以120°C/分的速度冷卻（與傳統方法相比，加熱和冷卻速度分別快3-4倍）。多個相鄰板可用于大型零件幾何形狀和多腔工具。
• CorePlate Adapt僅在放置模具的地方使用基座感應加熱，最高可達220°C，最高可達50°C/分鐘。定制尺寸，適合各種印刷機。將板材裝入壓機，并將模具放置在每塊板材上?？筛鶕筇峁├鋮s。
• CorePlate Tailor專為每種幾何形狀而設計，非常適合大批量生產，能夠以高達100°C/分鐘的速度加熱至220°C。冷卻可根據要求提供。其加熱速度是傳統復合材料加工技術的三倍。

使用Corebon感應加熱（CorePower設備位于Spidui海報上方的黑色視圖窗口中，如左圖所示）和九腔匹配金屬模具（右圖）將TFP預成型件（右圖底部）在不到5分鐘的時間內整合成玻璃和碳纖維PA6部件的Unwind3D的Spidui成型池。

Unwind3D（意大利瓦雷澤）是工業刺繡機供應商ZSK（德國克雷菲爾德）的子公司。Unwind3D與世界各地的客戶合作，為TPC零件的生產提供量身定制的解決方案，這些零件得益于定制纖維鋪設（TFP-tailored fiber placement）技術的使用（由ZSK設備實現）。

該公司展示了使用感應加熱九腔鋼工具的Spidui成型池，展示了帶有PA6基質的TPC預成型件的快速壓縮成型循環（<5分鐘）。Corebon感應加熱線圈位于頂部和底部模具的每個腔中。冷卻是通過水或空氣實現的。一體化軟件實現了用戶友好的操作。

編譯感言

本文的亮點，亮就亮在最前沿的材料、工藝技術。PEKK熱塑復材是目前性能最佳的受力結構材料。多種CMC陶瓷基復材及工藝，展現出在特殊環境中應用的前景。特別是其中一些信息，首次在網上看到。值得同仁們繼續關注。

原文見，《JEC World 2024 highlights: Thermoplastic composites, CMC and novel processes 》 2024.4.10

楊超凡 2024.4.11