目前，代替金屬制造民機受力結構件的復合材料，按強度性能排序：

冠軍：聚醚酮酮（PEKK）復合材料；

亞軍：聚醚醚酮（PEEK）復合材料；

季軍：聚芳醚酮( PAEK ) 復合材料。

以上三種復材中基材樹脂（matrix）均屬熱塑性樹脂。

下面圖中展示常見樹脂性能、價格：

民機使用的熱塑樹脂

民機主要受力結構件使用的熱塑樹脂，是指高溫、高性能PAEK、PEEK和PEKK。它們是一組半結晶和非晶態熱塑樹脂。是由芳香基-苯環（由六個碳原子和六個氫原子組成，呈平面六邊形）和不同數量的醚鍵、酮鍵，按固定順序組成的。

結晶區提供剛度、強度、降低吸濕性和蠕變。非結晶區提供韌性和好的損傷容限。

結晶度對材料最終性能如，韌性、剛度、耐溶劑性等，都起著重要作用。

PAEK、PEEK上市較早，應用、研究較多。PEKK上市較晚，不同廠家生產的KEKK大不相同。特別是2011才年上市的法國阿科瑪（Arkema）的Kepstan®PEKK，可調節Tg和Tm,更加受到工業部門青睞。

PEEK與PEKK的差別

邊框中塑料顆粒是Kepstan®PEKK

分子結構中PEKK有一個酮鍵代替PEEK中的一個醚鍵。酮鍵比醚鍵靈活；多一個酮鍵，就多一個碳原子。因此酮鍵比醚鍵更堅硬。上述差別造成兩者性能的差異。

• Tg: PEEK 143 vs. PEKK 160 °C ;
• Tp: PEEK 385 vs. PEKK 375 °C ;
• Tm： PEEK 334 vs. PEKK 306-400 °C
• PEKK的抗壓強度遠高于PEEK（可制造機翼翼肋，32層，176mm）;
• PEKK的結晶速度慢。容易控制結晶度；
• 特別是Kepstan®PEKK的T/I可調節，以適應不同的加工方法和不同的用戶需求。

碳纖維增強熱塑樹脂復合材料現狀

上表中復材碳纖維是用赫氏的AS7，被東麗收購

目前供應民機熱塑復材僅4家:東麗、索爾維、帝人和赫氏。

2018年3月，東麗用9.3億歐元收購了TenCate的熱塑復材。當時碳纖維是用赫氏的AS7。收購后改用自己的T700碳纖維。僅改碳纖維，東麗用了近兩年時間，經過美國國家先進材料中心NACMP(National Center for Advanced Material Performonce)和國家航空研究院NIAR ( National Institute Aviation Research)認證并加入公共數據庫。材料的牌號中基材樹脂仍舊用Cetex®。

2020.8.24赫氏宣布推出其最新的HexAM®3D打印材料HexPEKK®EM，這是一種導電、高性能、基于PEKK的熱塑性碳纖維復合增材制造材料。

2024年3月推出阿科瑪的Kepstan®PEKK基材樹脂和Hexcel HexTow®AS7和IM7碳纖維的熱塑膠帶。同時還展示出機身蒙皮與長桁焊接的演示件。

多功能機身演示件-MFFD

多功能機身演示件(MFFD - Multi Functional Fuselage Demonstrator)是由空客聯合歐洲38家科研院校、企業，于2015年7月開始研發，于2024年3月完成的項目。

演示件是模擬A320機身段設計的。直徑4米、長度8米、一個登機門、6個窗框。所有零件全部用熱塑復合材料制造。零件連接全部用焊接，無一個鉚釘。

演示件還包括客艙地板下的導管、電纜安裝;客艙上部天花板和行李箱支架的連接。

補充說明：此MFFD蒙皮、長桁、框現用，東麗低熔點聚芳醚酮復合材料。最初選用PEKK復材，制造中才改用PAEK復材。

總結

• 蒙皮厚度：2.2-2.8mm；
• 比鋁合金機身輕1噸；
• 比熱固機身輕20%；
• 比鋁合金機身成本節約10%；
• 能滿足每月制造70-100架飛機的速率。

關注的問題

根據網上報道，空客下一代單通道、窄體飛機（相當現在的A320、B737、C919），機翼仍然用環氧熱固復材，但與此前所有制造復材機翼，使用不同的工藝—不用熱壓罐固化。機身零件使用熱塑復材、連接用焊接。

 

從MFFD演示件使用的熱塑復材，值得關注的有以下問題：

1. 為何都使用T700量級的碳纖維？
2. 碳纖維是否需要上漿、用什么漿料？

當下，我國能生產PEEK和PEKK樹脂。希望復

材同仁抓住機遇研發我國民機使用的熱塑復合材料。

 

注：本文是編者參加“中國復合材料工業40周年慶典”發言的部分內容。

楊超凡 2024.12.3