幾十年來，航空航天制造商一直在把復合材料組件安裝到飛機上，以減輕重量，節省燃料并減少商業、商務和軍事飛行對環境的影響。隨著新技術的發展，復合材料將在未來的飛機中發揮更大的作用。

　　航空航天復合材料的研究在許多方面都在繼續，本文重點介紹了其中的三個。航空發動機制造商羅爾斯?羅伊斯（Rolls-Royce）在英格蘭的新技術中心展示了復合風扇部件的自動化生產。在美國堪薩斯州，Spirit AeroSystems正在尋找方法來改善用于超音速飛行的復合材料的性能和生產。在佛羅里達州，大學研究人員大大提高了3D打印復合材料的強度，使其更適合用作飛機結構部件。

 

　　新的生產方法

　　更可持續、更自動化的復合材料生產可能會增加它們在航空航天工業中的應用。羅爾斯?羅伊斯（Rolls-Royce）位于英國布里斯托爾（Bristol）的新復合材料技術中心為未來的制造提供了可能的模式。該工廠于2020年1月開業，為羅爾斯?羅伊斯（Rolls-Royce）創新的UltraFan?發動機示范機型制造CFRP風機葉片和風機外殼。UltraFan代表了勞斯萊斯飛機發動機數十年來的次重大架構變化。

　　“UltraFan匯集了一系列新技術，將通過動力變速箱驅動的大型低速風扇，與高技術、高速、功率密度極高的燃氣發電機核心的推進效率優勢結合在一起。”羅爾斯?羅伊斯公司UltraFan產品開發和技術的席工程師Andy Geer表示。這既可以減少燃料燃燒，又可以減少排放。Geer說：“從成本和環境足跡的角度來看，這是航空航天未來發展的方向。”

 

　　該公司估計，采用復合風扇葉片和風扇外殼將使噴氣發動機的重量減輕1500磅以上，相當于7名乘客的重量?？傮w而言，與羅爾斯?羅伊斯公司的款Trent發動機系列成員相比，UltraFan將減少25%的燃油消耗和二氧化碳排放。

　　羅爾斯?羅伊斯與英國復合材料中心合作開發了UltraFan復合風扇組件。初的工作是公司位于懷特島的學術研究設施中完成的。下一階段將在復合材料技術中心進行，這是一個具有先進自動化制造方法的預生產設施。該建筑主要由太陽能供電，并采用低能耗、低排放的制造工藝來實現可持續發展。

　　Geer說：“我們投入了大量精力，以確保復合材料的鋪設和固結是相對低溫的過程，以及在組裝過程中釋放出的氣體或產品不會對環境造成傷害。”出于對可持續發展的關注，羅爾斯?羅伊斯（Rolls-Royce）選擇了CFRP組件的材料，并設計了制造工藝，以減少浪費。

 

　　為了制造風扇葉片，羅爾斯?羅伊斯公司制造了數百層碳纖維材料，并預先填充了可提高其韌性的樹脂。東麗（Toray）公司制造了碳纖維，Hexcel Composites將其摻入到其提供的預浸料中。羅爾斯?羅伊斯公司（Rolls-Royce）與位于特拉華州的Accudyne合作開發了專門的自動機器人系統，用于進行物料鋪放。復合材料通過加熱和加壓固化，葉片采用了薄鈦前緣，以防止侵蝕、外來物體和鳥類撞擊。檢驗系統集成在整個生產過程中，以確保生產的每個部件的質量。

　　工廠的預生產技術可以輕松擴大規模，以滿足實際的生產需求。在航空航天業中，這尤其重要，新的飛機部件必須經過嚴格的資格測試。

　　“一旦獲得了認證，就必須證明隨后制造的零件與經過認證的零件完全相同。因此，精度、準確性和可重復性是該過程的關鍵部分。”Geer說。通過控制制造過程，該公司可以證明其制造的第100個零件將與制造的個零件相同，并達到相同的質量標準。如果涉及人為因素，例如人工鋪設，則很難做到這一點。

　　風扇葉片和外殼并不是UltraFan發動機上唯一的復合部件。Geer表示，有機聚合物基復合材料廣泛應用于整個風扇系統，其他復合材料也被用于隔音板、氣動整流罩的填充材料和環空（發動機燃燒系統的一部分）的填充物中。陶瓷基復合材料被用于發動機的高溫部分。

　　羅爾斯?羅伊斯公司計劃在2021年底之前完成其UltraFan發動機的演示模型。盡管該公司正在與航空航天制造商討論在新飛機設計中加入發動機，但與covid -19相關的行業放緩使得很難預測此類項目何時會取得進展。

　　Geer說：“我們的目的是通過相當嚴格的特性描述和測試程序，證明我們了解這項技術，并完全準備好將其投入生產。”

　　超級速度

　　高超音速飛機主要用于國防和武器工業，其設計速度從5馬赫（約3800英里/小時）到20馬赫（約15000英里/小時）或更高。在設計這種速度的飛機時，大的挑戰之一是開發能夠處理大氣阻力影響的材料。

　　高超音速飛行器在某些區域必須承受大約1,200華氏度到4,000華氏度以上的溫度，具體取決于飛機的運行速度。“材料和結構對溫度的快速變化做出反應的能力，以及當飛行器在結構的不同部分經歷巨大的溫度差異時能夠正常工作的能力是絕對必要的。”Spirit AeroSystems國防工程高級總監和總工程師Chris Boshers說。

　　為高超音速飛機提供熱保護的結構需要高強度和剛度，因為它們還必須承受高超音速飛行的巨大動態壓力和g載荷（加速力）。復合材料可以提供這些特性，但是那些單向纖維可能會發生分層和過早失效。

　　“（用于超音速飛機的）極其堅固而有效的溫度材料具有沿三個方向定向的纖維，以對三維施加的載荷做出反應。”Boshers說。

　　為了生產這些高超音速復合材料，在材料設計和制造方面具有專長的Spirit AeroSystems公司近收購了FMI公司，后者已經開發和生產高溫復合材料超過50年。合并后的團隊希望通過制造所需材料來改善高超音速飛行的價值，從而使飛機更經濟、更高效和可批量的生產。

　　Spirit正在研究兩種不同類型的高超聲速復合材料——碳/碳和陶瓷基體。碳/碳（C/C）復合材料可以在超過4000華氏度的溫度下保持高強度，同時保持可預測的空氣動力強度。在高超聲速飛機中，C/C復合材料被用于機頭、控制面、熱保護系統（TPS）、航空外殼應用以及火箭發動機排氣系統的噴嘴和喉部。其他潛在的應用包括用于太空再入飛行器的TPS、防熱罩和高溫發動機部件，以及用于工業應用的烘箱壁和高溫探頭。

　　為了生產C/C復合材料部件，Spirit將幾束碳纖維編織成直的或無卷曲的三向排列，每束碳纖維由數千根單獨的碳纖維束組成。

　　Boshers解釋說：“在質量保證檢查后，確保纖維結構是正確的，然后加熱、加壓瀝青被強制進入纖維之間的空間。”在這個灌注過程之后，坯料被加熱到瀝青的焦化，只留下碳。反復多次的灌注過程來填充剩余的空隙，從而形成非常致密、非常均勻的碳碳塊或坯段。”該公司可以用一個坯料制造多個飛機部件。

　　Spirit正在努力使C/C制造過程自動化，以降低人工成本并提高產品質量，加快致密化過程并生產接近終形狀的組件。Boshers表示，這些變化可能會改善C/C材料的比率特性，使其價格更便宜。

　　Spirit還正在開發方法，以量產大量用于超音速飛行器的陶瓷基復合材料（CMC）。CMC像C/C復合材料一樣保持強度和剛度，但是在1,500 F至2,200 F的較低溫度范圍內運行。CMC確實比C/C具有更好的耐環境性，尤其是抗氧化性。它們可用于飛機非峰值熱區部件、某些熱屏蔽和超燃沖壓發動機進口管道。

　　Spirit的CMC材料包括碳、碳化硅（SiC）或氧化鋁（Ox）纖維。公司采用碳化硅和碳化硅纖維作為基體材料。氧化鋁纖維與氧化鋁基體一起使用。

　　為了對C/C和CMC進行專門的高溫測試（高5,000 F），Spirit建立了自己的能源材料測試實驗室。它還與美國航空研究所（NIAR）合作，在威奇托建造一個高溫材料測試設施。Boshers說：“該設施將提供高溫C/C和CMC材料的特性，并為高超聲速飛行器結構的設計提供經過認證的B基準統計允許值。”（B-基準是100個試樣中只有10個會以95%置信水平失效的強度值。）

　　Boshers在高超音速市場看到了復合材料的許多額外機會。“我們正在探索新的纖維結構和材料，在高超音速應用中提供成本/性能優勢。”他解釋說，“近凈形狀材料、更大尺寸的部件以減少或消除接頭，以及能夠更有效地抵抗燒蝕或侵蝕的材料目前正在開發中。從長遠來看，耐高溫、耐用的材料可以用于噴氣發動機，以減輕重量和提高效率，從而減少燃料使用和降低二氧化碳排放。”

　　盡管國防工業一直是高超音速飛機材料的大客戶，但商業部門的興趣也在不斷增長。SpaceX和維珍銀河（Virgin Galactic）等公司正在開發技術，將大幅縮短目前在各地運送乘客和貨物的時間。復合材料將發揮關鍵作用，不僅在這些高超音速飛機的發展，而且在許多其他創新未來飛機的生產上。

　　3D打印飛機部件

　　復合材料的增材制造（AM）能夠以極低的浪費快速生產幾乎無限幾何形狀的組件。但是今天大多數AM的工作是用熱塑性材料完成的，這種材料不具備飛機結構部件所必需的性能。用碳纖維制成的熱固性復合材料可以提供所需的強度和耐久性，不過，將碳纖維融入打印混合物中存在問題。當碳纖維數量過高時，纖維會聚集在一起，堵塞3D打印機的噴嘴，導致打印機無法打印。

　　美國邁阿密大學（University of Miami）機械和航空航天工程助理教授Emrah Celik開發了一種方法來解決這個問題。他發現，振動打印機噴嘴處的碳纖維可以防止它們結塊，從而使打印過程得以進行。

　　在為NASA和空軍工作AM項目的過程中，Celik能夠定制現成的3D擠壓打印機來生產碳纖維熱固性部件。2019年，Celik和他的空軍研究伙伴發表了一篇論文，描述了他們如何能夠按體積生產碳纖維約6%的熱固性部件。“這在當時是非常棒的，我們超越了先進的實踐。”他說。

　　但是Celik想要添加更多的纖維來生產更強的復合材料。在他的研究生助理Nashat Nawafleh的幫助下，他探索了幾個變量，包括碳纖維的理想長度、這些纖維的表面處理以及不同程度的振動對熱固性材料的影響。

　　以振動為例，Celik說：“你不想振動太多，因為你不想降低分辨率或改變尺寸精度。但是震動的大小必須要合適，這樣才能把纖維分開，這樣它們才不會堵塞噴嘴。”

　　在使用凱夫拉爾?纖維和玻璃纖維進行實驗后，Celik將重點放在了碳纖維上，因為碳纖維為復合材料提供了強大的強度。他初使用的是長度約為6毫米的短切碳纖維，但終選擇了大約50微米長的磨細碳纖維。在測試了這些短纖維的各種表面化學成分后，Celik發現，在樹脂和碳纖維之間，膠料材料提供了極好的連接。

　　在熱塑性AM中，復合材料層之間的結合可能不強，因為材料在打印時被加熱，然后很快冷卻。Celik的熱固性AM過程提供了一個更各向同性的結果；打印“墨水”由納米粘土或二氧化硅組成，與熱固性樹脂混合，然后在噴嘴處與碳纖維混合。他解釋說：“它變成了一種凝膠狀的材料，當你在表面擠壓它時，它有足夠的強度來保持形狀。”每一層的凝膠都能很好地與下面的層融合，當這個部分完成后，就把它放入烤箱過夜固化。

　　由于使用了較短的碳纖維，各向同性性能也得到了改善。擠出過程中，油墨中的纖維在打印方向趨于對齊，其他方向強度降低。由于短纖維不像長纖維那樣排列整齊，Celik的熱固性復合材料的橫向強度為80%。

　　通過所有這些改變，Celik在打印熱固性復合材料中實現了碳纖維含量的顯著提高。他解釋說：“以前我們只需要5%到6%的纖維，現在我們可以用46%的碳纖維來制造材料。”這種材料的強度和金屬一樣，但比鋼輕80%，比鋁輕50%。

　　Celik相信，通過這種增材制造工藝生產的輕質熱固性復合材料零件將能夠代替較重的金屬零件。此外，借助3D打印復合材料，飛機制造商可以重新設計零部件。只有需要結構完整性的零件才必須是堅固的。在其他地區，蜂窩結構可用于進一步減輕飛機的重量。

　　已經有幾個機構對Celik的工作表示了興趣。雖然航空航天可能是個使用該技術的行業，但他認為在交通運輸和其他行業中還會有更多應用，特別是如果可以降低生產碳纖維的成本。

　　從3D打印到材料的進步，當今正在進行的各種研發反映了復合材料為未來飛機和航天器提供的多種可能性。