English
簡體中文
弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所重點開展CONTIjoin連接技術(shù)、類玻璃高分子、材料可成型性及雷電防護系統(tǒng)相關(guān)研究；萊布尼茨復(fù)合材料研究所則展示了采用定向非連續(xù)再生碳纖維增強的熱塑性復(fù)合材料飛機窗框技術(shù)。
來源：弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所、萊布尼茨復(fù)合材料研究所
由弗勞恩霍夫鑄造、復(fù)合材料與加工技術(shù)研究所、弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進協(xié)會表面技術(shù)研究所及弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所聯(lián)合參與的HESTIA項目，周期為2023至2026年，為期三年，全稱為“面向未來零排放飛機的超高效可持續(xù)熱塑性纖維增強復(fù)合材料機身蒙皮研發(fā)項目”。該合作研究項目由德國聯(lián)邦經(jīng)濟事務(wù)和氣候行動部資助，核心目標(biāo)是研發(fā)適用于新一代碳中和飛機的輕量化、節(jié)能型機身蒙皮技術(shù)。
HESTIA是六大聯(lián)動合作子項目之一，旨在研發(fā)熱塑性復(fù)合材料機身結(jié)構(gòu)，以此抵消新型零排放推進系統(tǒng)帶來的額外機身重量。項目通過減輕結(jié)構(gòu)自重、提升生產(chǎn)效率，助力飛機制造與運營環(huán)節(jié)實現(xiàn)更高的可持續(xù)性，其研發(fā)技術(shù)可滿足規(guī)模化生產(chǎn)需求。項目合作方表示，本次開發(fā)的激光制造工藝，除航空領(lǐng)域外，還可應(yīng)用于其他行業(yè)的復(fù)合材料半成品與零部件生產(chǎn)。
該項目合作單位如下：空中客車運營有限公司（項目牽頭單位）、空客航空結(jié)構(gòu)公司、希爾康普復(fù)合材料有限公司、德國航空航天中心、萊布尼茨復(fù)合材料研究所。
弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所主要圍繞自動化加工與多功能復(fù)合材料集成開展三大核心研究；另外兩家弗勞恩霍夫下屬機構(gòu)則負責(zé)其他研究方向，成果同樣服務(wù)于HESTIA整體項目。其中，弗勞恩霍夫表面技術(shù)研究所主攻類玻璃高分子材料研發(fā)，弗勞恩霍夫鑄造、復(fù)合材料與加工技術(shù)研究所負責(zé)激光波長影響對比研究。各項研究聚焦制造工藝與材料利用率，合力為碳中和飛機打造創(chuàng)新技術(shù)方案。
CONTIjoin連接技術(shù)、自動纖維鋪放工藝與類玻璃高分子
項目重點優(yōu)化適用于熱塑性多向?qū)雍习氤善返腃ONTIjoin連接工藝。該技術(shù)此前已應(yīng)用于清潔航空計劃大型全尺寸演示項目的機身上下蒙皮對接工序，目前正拓展適配更多材料體系，包括各類單向預(yù)浸帶與類玻璃高分子材料。類玻璃高分子兼具熱固性樹脂的交聯(lián)特性，同時可像熱塑性材料一樣二次加熱、重塑及回收利用。
碳纖維增強聚芳醚酮的傅里葉變換紅外光譜顯示：二極管激光波長下，基體聚合物吸收率低；二氧化碳激光波長下，基體聚合物吸收率高。
傳統(tǒng)鋪層工藝多采用固態(tài)激光器或二極管激光器，能量主要被碳纖維吸收；而CONTIjoin工藝利用二氧化碳激光，能量可直接被聚合物基體吸收，有效提升連接工序中的熱過程管控精度。
材料可成型性與集成式雷電防護系統(tǒng)
研究團隊還在探索纖維增強復(fù)合材料半成品的新型打孔工藝。打孔工藝可局部切斷碳纖維增強層，提升材料在自動纖維鋪放與熱成型過程中的延展成型能力。傳統(tǒng)機械打孔方式易造成刀具嚴重磨損，因此業(yè)內(nèi)開始研發(fā)無接觸式激光打孔替代方案。
膠帶附著力測試表明，網(wǎng)格狀銅涂層與碳纖維/熱塑性基材結(jié)合牢固。
第三項研究聚焦集成式雷電防護系統(tǒng)的導(dǎo)電連通性。項目搭建全自動化工藝流程，可實現(xiàn)機身接縫、維修區(qū)域銅網(wǎng)層斷口的導(dǎo)電銜接。先對熱塑性復(fù)合材料進行激光表面改性處理，再通過熱噴涂工藝附著導(dǎo)電銅層，并加工成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，效果與傳統(tǒng)雷電防護網(wǎng)材料一致。
再生碳纖維窗框技術(shù)
位于凱澤斯勞滕的萊布尼茨復(fù)合材料研究所（隸屬凱澤斯勞滕工業(yè)大學(xué)，為非營利復(fù)合材料研究機構(gòu)），依托再生碳纖維熱塑性復(fù)合材料，研發(fā)省料、節(jié)能的飛機窗框生產(chǎn)技術(shù)（項目編號：20W2203E）。研究團隊巧用短切纖維特性，充分發(fā)揮窗框結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。這款創(chuàng)新材料能大幅降低航空零部件生產(chǎn)過程中的碳排放，同時優(yōu)化材料利用率與輕量化效果。
該窗框原材料由聚芳醚酮長絲和長度50毫米以上的再生碳纖維制成短纖紗線，經(jīng)研究所自研的浸漬拉伸設(shè)備加工為預(yù)浸帶，最終形成內(nèi)部含有定向非連續(xù)增強纖維的致密再生碳纖維帶材。這種結(jié)構(gòu)中的纖維可相互滑移，即便制作窗框這類復(fù)雜曲面構(gòu)件，也能保證材料平整無褶皺；同時纖維沿曲面受力方向定向排布，最大化提升結(jié)構(gòu)承載效率。
研究團隊完成熱塑性復(fù)合材料飛機窗框拓撲優(yōu)化及纖維取向建模。
成型后的承載結(jié)構(gòu)可通過注塑包覆實現(xiàn)功能化處理，保障外部載荷高效傳遞至內(nèi)置結(jié)構(gòu)件。該工藝不僅優(yōu)化載荷分布，還能顯著提升整體結(jié)構(gòu)的耐用性與可靠性。團隊借助有限元分析優(yōu)化纖維走向與受力導(dǎo)入結(jié)構(gòu)，后續(xù)將制作窗框原型件并開展實物測試，驗證仿真結(jié)果與設(shè)計方案。
萊布尼茨復(fù)合材料研究所合作單位：空中客車運營有限公司、德國航空航天中心、弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進協(xié)會、空客航空結(jié)構(gòu)公司、奧爾巴尼國際公司。