[发明专利]一种制备热塑性复合材料飞机机翼翼肋的方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞机结构件制造技术领域，特别是涉及一种制备纺织结构碳纤维增强热塑性复合材料飞机机翼翼肋的方法。

背景技术

机翼是飞机的重要部件之一，其主要作用是产生升力、保持平衡。翼肋是机翼内部的重要承力结构件，其对材料有基本的高强度、高模量、轻量等要求。

传统的飞机机翼翼肋用材为铝合金。但是，由于合金自重大，热处理等后加工工艺复杂，制作成本相对较高，且难以实现结构-功能一体化设计，因此随着轻量化的要求，飞机制造的选材不断变化。近年来，已有部分飞机(包括商业民用飞机和军用战斗机)的机翼翼肋改用复合材料制造。这是一种轻质高强材料，其比强度是硬铝的6倍。采用复合材料可显著减轻飞机自重，降低油耗，提高性能。自上世纪70年代以来，复合材料代替金属材料成为了世界航空制造业的发展趋势。复合材料使用比例已经成为衡量新一代民机先进性的重要标志，更是提升市场竞争力的重要因素之一。

目前用于飞机机翼翼肋的复合材料多数为碳纤维增强热固性复合材料，这种材料有三大弱点：第一，不可回收，废旧品将造成大量环境污染；第二，成型时间长(通常为40分钟至数小时)；第三，冲击强度仅为20-45kJ/m²。在2009年，Ticona公司开发了碳纤维织物(CFF)增强聚苯硫醚(PPS)基热塑性复合材料，用于A340、Fokker50、G650商务机等。

碳纤维织物(CFF)增强聚苯硫醚(PPS)基热塑性复合材料可回收，成型时间短。然而，这种基于传统的碳纤维织物热压成型方法制备的PPS-CFF复合材料并没有在更大范围推广，因为其存在树脂对纤维的浸润性差、制品孔隙率较高、纤维体积含量较低、基体自身强度和韧性不够高等问题。这造成材料的力学性能与原有的铝合金相比不高，尤其是模量较低，仅为56-59GPa。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的缺点采用对熔融的PPS/CFF降温至最高结晶成核温度以下，通过加载的控制方法改变PPS基体的结晶形貌，从而大幅提高PPS基体的冲击韧性、拉伸强度和模量；同时通过CFF表面处理改性，提高CFF对PPS的浸润性和界面结合力，进而提高PPS/CFF复合材料力学性能。用这种改进方法制得的PPS/CFF热塑性复合材料制备飞机机翼翼肋抗拉强度达到760-1000MPa，模量达到65-70GPa，冲击强度达到50-65kJ/m²。

本发明所要求解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

一种制备热塑性复合材料飞机机翼翼肋的方法，包括以下步骤：

(1)制备PPS/CFF热塑性复合材料

①熔融：将CFF与PPS薄膜或PPS无纺布交替叠层，升温至320-340℃，使PPS全部熔融；

②浸润：待PPS全部熔融后对PPS熔体和CFF加压至0.5-2.1MPa，使PPS熔体对CFF充分浸润；

③降温：以40-100℃/min的降温速率对浸润了PPS的CFF进行降温，降温至240℃-260℃；

这里以40～100℃/min的速率快速降温的目的是使PPS在这一特定温度点进行等温结晶，如此晶核数量和结晶速率均可控制，且分散性较小；在240～260℃这一特定温度点的目的是能够形成一定数量的晶核，从而具有合适的结晶速率；同时使后面施加压力时，分子链比较容易运动。结晶速率太快会降低材料拉伸强度，太慢会增加制造成本；分子链若不容易运动，会造成材料内部缺陷。与纯PPS相比，最高温度提升了10摄氏度，因为碳纤维存在会诱导结晶,使PPS在较高的温度也能成核，并且在更高的温度加压可以使PPS基体与碳纤维二次浸润，降低孔隙率。

④加压：在240℃-260℃时，加压至3-7MPa，并在最大压力值时，保压5-10min；

⑤冷却：释放压力至常压，且自然冷却至室温，制得所需材料。

(2)模压成型