現代飛機的內飾需要輕便，高承載的工程結構。 設計空心零件可能是實現這些目標的選方法。 然而，由熱塑性復合材料制造空心型材有加工和模制方面的挑戰。本文介紹了如何使用具有高壓滅菌器（OOA）閉模工藝的稱為COEXM（用于Compsult可膨脹材料）的技術成功地制造出滿足飛機座椅結構要求的概念熱塑性復合材料座椅靠背框架的中空型材，并通過濫用靜態負載測試。SABIC設計并開發了空心截面的座椅框架，該框架具有集成的后隔板，分別使用編織物和復合半預浸料織物，由混合碳纖維和ULTEM聚醚酰亞胺（PEI）熱塑性纖維組成。 與現有的熱固性塑料相比，這種新穎的設計為減輕重量提供了機會，并且可以大大減少加工時間。 它還具有通過減薄內飾來減小座椅靠背厚度的潛力。 熱塑性復合材料表面光潔度令人愉悅的觸感和美感可以潛在地消除單獨的覆蓋物。

　　飛機座椅用熱塑性塑料

　　飛機原始設備制造商的現有材料有一些限制。金屬具有設計和加工不靈活的特點，而熱固性材料不可回收，加工時間延長且原料保質期有限。與金屬相比，熱塑性塑料具有更大的設計自由度。與熱固性塑料相比，它們的加工周期更短，并且可以通過加熱到其軟化溫度以上而快速重新成型或重塑。 熱塑性塑料的其他優點包括以復合形式使用時具有高強度，低吸濕性和延長的原料保質期。PEI樹脂和復合材料等熱塑性塑料已用于飛機內部部件。 PEI具有高耐熱性，高強度，符合煙熏毒性（FST），低熱釋放和低吸濕性的特點。

　　采用PEI復合材料和OOA技術的概念座椅靠背

　　近的一項研究旨在開發一種概念飛機座椅靠背，該概念飛機座椅靠背框架采用PEI復合材料和OOA技術制成，同時滿足結構要求和減輕重量。為了證明PEI樹脂的OOA可加工性，使用COEXM技術生產了概念座椅靠背。這種熱激活的，可膨脹的，可消耗的介質被用作一個核心，使中空的，混合纖維復合織物部件在一個封閉的模具內成型，而不需要高壓釜。

　　確定佳的空心截面配置

　　生產用于框架的中空部分以提供強度和輕質，需要確定其佳構造。 考慮到屈曲對各種橫截面的影響后，研究小組驗證了封閉（箱形）截面的性能要好于開放（C形）截面。 在具有相同材料和重量的設計中，即使添加了截面肋骨來穩定，封閉部分與開放部分相比承受的載荷也要多38％。

　　選擇佳制造工藝

　　在篩選了中空型材的幾種制造工藝之后，團隊選擇了Compsult的COEXM技術。 使用COEXM的成型過程包括四個步驟：

　　準備工作：將由碳纖維和熱塑性纖維混合制成的復合編織物插入由鋁片制成的可消耗膜上，并填充COEXM粉。 然后將預成形的疊層放置在模具型腔中。

　　成型：密封模具并在紅外線烤箱中加熱。一旦加熱，壓粉芯膨脹以形成模腔的形狀。 加熱溫度取決于基礎樹脂，膨脹比和浸漬時間。加熱周期結束后，可以快速冷卻模具。

　　清潔：將復合零件脫模，并從零件型腔中去除粉末殘留物芯。除去的一些粉末可以在過濾和回收后再利用。

　　精加工：鋁膜可以使用化學方法去除，也可以根據需要留在內部。 零件可以進行后處理，包括修整和精加工。

　　OOA成型與替代工藝

　　通常，用于制造中空部件的過程使用囊芯，例如填充有可膨脹介質的硅樹脂囊。 但是，硅囊對于高溫熱塑性塑料是不可行的，因為它會在很高的成型溫度下降解。聚酰亞胺（PI）薄膜的可消耗氣囊在筆直的部分上效果相對較好，但對于具有突然方向變化的形狀，則無法達到預期的性能。在OOA工藝中，鋁膜（約占座椅靠背重量的1.5％）可以保留在終零件中，也可以使用酸性溶劑溶解。與替代方案相比，該方法也可能是生產復雜中空型材的更簡單方法。成本是另一個潛在的優勢。 根據一項成本評估研究，采用OOA工藝模制一個1英寸的空心方管每米的成本為1.20至1.50美元，而使用自耗PI管的成本為12至18美元。 高溫硅膠囊每米的成本超過50美元。

　　座椅靠背開發

　　座椅靠背開發項目旨在驗證PEI光纖對新型OOA技術的使用并確定其處理效率。 應用程序開發團隊使用一級供應商提供的商用座椅靠背幾何形狀和行業測試方法來設計熱塑性座椅靠背，以滿足適航靜態載荷的要求。

　　材料特性與加工

　　座椅靠背的初始3D CAD模型是基于商業樣品的。 模擬軟件被用來執行有限元分析，使用來自混合纖維供應商的材料特性作為輸入。

　　有限元分析

　　圖3.有限元分析加載圖

　　圖3說明了考慮進行有限元分析的三種載荷情況。 Tsai-Wu5大破壞指數顯示出的裕度系數根據負載情況在1.25到7.5之間變化。

　　復合疊放和堆疊順序

　　由混合紗線制成的編織物用于構建框架。 堆疊順序是從3D模型獲得的，以實現適當的厚度。 復合材料疊層被逐步堆疊，在鉸鏈區域附近具有更多的編織層，以克服相對于座椅靠背頂部的高應力。對于座椅靠背膜片疊層，織物的取向為±45°，以承受扭轉載荷并支持正常的使用載荷條件。

　　模具加熱固化

　　將封閉的模具用紅外（IR）加熱器外部加熱28分鐘，升溫速率為每分鐘12°C。 一旦達到目標溫度375°C，則將其保持至少15分鐘，以使熱量在模具的整個體積上均勻分布。

　　座椅靠背結構性能

　　為了驗證新的OOA座椅靠背樣品，每次測試用于確定結構完整性。 必須測試更多樣本以實現統計驗證。

　　測試裝置和固定裝置

　　試驗夾具的設計和施工代表了商用飛機座椅在一個前靜態負荷位置。

　　正向靜載荷測試

　　該測試負載施加在座椅靠背的左上角。 為了證明濫用負荷的可持續性，測試負荷從下限（200磅）逐漸增加到上限（300磅），并繼續增加到濫用負荷（500磅）。

　　側面靜載荷（與水平方向成15°）測試

　　該測試代表了座椅靠背框架的側向靜載荷。 側面載荷施加在座椅靠背的左上角，相對于水平面向下15°。 測試負載從下限逐漸增加到上限，并持續到500lbs的濫用負載。

　　膜片后推載荷測試

　　該測試代表乘員在飛行中后背施加的載荷。 在垂直平面的膜片中心施加載荷。 測試負載從下限逐漸增加到上限，并持續到500lbs的濫用負載。

　　測試結論

　　上述所有靜載試驗，在上、下荷載作用下，撓度均在許用極限以下，在濫用荷載作用下，均未出現永久變形或破壞。

　　熱塑性復合材料座椅靠背的潛在優勢

　　通過在飛機座椅靠背中用熱塑性復合材料代替金屬和熱固性樹脂，OEM可以潛在地獲得好處，包括減輕重量，縮短制造周期并節省飛機的空間-所有這些都不會犧牲性能或外觀。

　　PEI復合座椅靠背項目使用新型OOA技術的成功，以及設計的性能驗證，展示了在其他航空航天應用中替代傳統材料的潛力，如座椅部件、座椅圍護和裝飾護罩、HVAC管道和頭頂存儲箱。（來源：SABIC）