先進的飛機內飾材料
盡管新型 787 夢想客機和空客A380因其突破性的結構復合材料機身設計而備受贊譽，但復合材料長期以來一直是商用飛機機艙幾乎每個可見部分的標準產品，主要是因為該材料重量輕、強度重量比高。也許沒有機身那么迷人，飛機內部的性能要求也不亞于機身。零件必須在發生火災時提供機械強度、尺寸穩定性和低熱量釋放，同時盡可能降低飛機重量以實現最大效率。
氰特公司（Cytec-亞利桑那州坦佩市）的營銷和業務發展經理比爾·韋伯（Bill Webb）解釋道：“與 機身零件相比，內飾在結構上的要求可能不那么高， 但需要滿足許多專業需求和機械要求，尤其是非常嚴格的火災、煙霧和毒性指標。” 。“實現這些目標并不容易，”韋布說。“這當然不是一般商品市場。”
但它是巨大的。每架飛機都使用了數千磅的先進 復合材料，包括熱固性預浸料、蜂窩芯和先進的工程 熱塑性塑料——據一位消息人士透露，一架波音777飛機的內飾復材用量超過11000磅/5100公斤。這些材 料最常見于地板和天花板面板、貨物內襯、頭頂儲物箱、面板、窗戶周圍、廁所模塊、廚房、食品和飲料 手推車以及艙壁/分級隔板。此外，市場并不局限于原始設備制造商(OEM)新的項目；Brosius Management Consulting（密歇根州布萊頓）的戴爾·布羅修斯 (Dale Brosius)表示，舊飛機的翻新也很重要，因為 內部部件的使用壽命在三到七年之間，約1300萬磅 （6000公噸）?！哆\輸與VIP內飾》雜志稱，近2000家供應商公司為商用和私人飛機設計、制造、組裝、維 修和分銷機艙內部設備，包括復合材料和非復合材料。
無論航空公司或飛機類型如何，飛機上使用的材 料都是相似的，因為所有載客飛機都必須滿足易燃性要求。關鍵的復合材料部件包括通風管道和“襯里 linings ”—窗戶、門有形狀的熱固復材和客艙側壁周圍 需要輪廓形狀的熱塑復材—。到目前為止，最大的復 合材料應用是由蜂窩芯和熱固性樹脂制成的夾芯板， 用于地板、天花板、廚房墻壁、廁所和貨艙內襯。薄面板之間的低密度、輕質核心顯著增加了面板的剛 度，幾乎沒有增加重量。核心的功能類似于工字鋼的 連接腹板，以均勻的距離分隔面板，而夾芯面板本身 則起到梁緣條的作用；面板的彎曲剛度與核心厚度成 正比。夾芯板具有成本效益，因為芯材比夾芯面板復 合材料更便宜、重量更小，并且可以在一次操作中與 蒙皮一起固化或加工。
典型的內部夾層板由 Nomex 蜂窩芯（由弗吉尼亞 州里士滿的杜邦高級纖維系統公司提供的芳綸纖維紙 制成）制成，厚度約為 0.5 英寸/13 毫米，蜂窩尺寸為 0.12 英寸/3 毫米。通常，對于大多數天花板和墻壁， 芯部面對一層或兩層玻璃/酚醛預浸料，對于地板，則 面對玻璃/環氧樹脂或碳/環氧樹脂，這需要更高的抗拉強度。
平板通常為 4 英尺乘 8 英尺（1.2 米乘 2.4 米），通 常采用平面模壓成型進行加工，其中將下表皮預浸料、芯材和上表皮預浸片堆疊在加熱的鋼墊板上。將 第二塊在液壓機中加熱的嵌縫板降低到疊層上，并將 層壓板在壓力下保持 30 分鐘至 100 分鐘以上。通常， 在釋放氣體和水蒸氣（酚類縮合反應固化的副產物） 的過程中，壓機會被“碰撞”或輕微打開，然后再次 關閉以完成固化循環。高速生產線使用多開壓機 （MOP- multi-opening presses），具有五個或更多的模具開口；每個都裝載鋪放，然后如上所述進行處理。壓力范圍 從 50 psi 到 100 psi（3.4 巴到 6.8 巴）。酚醛樹脂的固化 過程隨著溫度的升高而加快，因此需要一個至少 160ºC/320ºF 的高溫模具。
“壓芯-Crush core”是一種在更高的溫度和壓力下進行 的更快、更經濟的工藝，將帶芯層壓板放置在大型壓 機中，并將其壓至預定厚度。這一工藝主要由波音和 空客及其最大的一級內飾供應商實施，最常用于生產 彎曲的側板，并實現飛機窗戶周圍的錐形凹陷等形 狀。高達 300 磅/平方英寸/20.7 巴的壓力會使蜂窩壁折 疊并變平，從而為薄的預浸料坯面板創造更多的粘合表面積。該方法制作出厚度一致的面板，確保在安裝 過程中具有良好的貼合度和光潔度。氰特（Cytec）公 司的高級首席研究化學家比利·哈蒙（Billy Harmon） 表示，材料處理時間約為 8 至 12 分鐘，生產效率非常高。需要大型壓力機和加熱的金屬模具來產生所需的壓力，并且需要高產量來證明資本成本的合理性。
更復雜的形狀，如行李箱，可以用簡單的“切割 和折疊”方法由平板壓制而成。去除上部面板的條帶 以暴露核心；折疊角或半徑角越緊，去除的條帶就越寬。將粘合劑施加到未切割的暴露芯上，然后將面板 簡單地折疊到所需位置并夾緊，直到粘合劑固化。赫氏公司（Hexcel-加利福尼亞州都柏林）歐洲營銷主管 尼爾·霍華德（Neil Howard）表示：“這種方法非常 經濟，因為它可以在沒有復雜夾具或固定裝置的情況下完成。”。緊固件位置需要額外的材料，例如用于 固定螺栓或緊固件的粘合劑灌封；套圈或管，所述套 圈或管結合到所述緊固件保持在其中的兩個表層；或 者用額外的樹脂或泡沫固定在適當位置的螺紋插入 件。面板邊緣需要某種飾面，如邊緣灌封、粘合在注塑成型型材上或壓配塑料蓋，所有這些都可以防止濕氣進入芯部，并提供裝飾性飾面。因為夾芯板面板非常薄，所以核芯印跡很常見。 此外，在反應和固化過程中，酚醛樹脂排氣時會形成針孔。因此，乘客可見的面板通常采用某種類型的裝飾材料進行表面處理，以覆蓋表面缺陷。地板可以涂漆或覆蓋阻燃地毯。
裝飾表面包括塑料薄膜或層壓板、布“掛毯- tapestries”、塑料層壓板或油漆。涂漆需要填充、打磨和 涂底漆。裝飾膜或層壓板消除了一些表面處理和精加 工步驟，但增加了零件的成本和重量。裝飾性塑料層 壓板與薄膜的不同之處在于，它們結合了多個膜層， 具有不同的功能。典型的裝飾層壓板具有光學透明的 聚氟乙烯（PVF）耐磨膜外層，其覆蓋并保護一層或 多層印刷和/或紋理膜。薄膜和層壓板通過一層薄膜粘 合劑（環氧樹脂、酚醛樹脂或聚氨酯）連接到面板 上。杜邦工程聚合物公司（特拉華州威爾明頓）供應 Tedlar，一種著名的 PVF 產品。
一些制造商選擇熱塑性材料而不是熱固性材料。與熱固性樹脂相比，熱塑性塑料在幾分鐘內完成加工，因為加熱的樹脂只需成型和冷卻，就不會發生化 學固化反應。氰特（Cytec）公司的熱塑性塑料業務經 理史蒂夫·停止（Steve Cease）說，雖然像聚醚酮酮 （PEKK）這樣的高溫、高性能熱塑性樹脂的成本明顯高于酚醛樹脂，但這種材料具有更好的柔韌性和抗沖 擊性，加工速度更快，這使它更適合某些應用，并補 充說，它很容易滿足機艙火災/煙霧/毒性的要求要求。例如，向下滑動以覆蓋客 艙窗戶的小窗簾板通常是熱成型的PEKK塑料板。其他制造商正在研究將熱成型熱塑性零件用于需要良好沖擊強度的承載部件。
由于室內市場的規模，大量供應商提供樹脂、編 織或單向增強材料、蜂窩芯材料、粘合劑和灌封化合 物、薄膜和大量相關產品。主要的酚醛樹脂供應商包 括 Hexion Specialty Chemicals（俄亥俄州哥倫布市），該 公司將前博登、酚醛和殼牌品牌合并為一個實體；喬 治亞太平洋樹脂股份有限公司（佐治亞州亞特蘭大）；住友膠木的子公司 Durez Corp.（德克薩斯州艾迪生）；和亞利桑那化學公司（佛羅里達州杰克遜維爾）。熱塑性樹脂和片材供應商包括 Cytec；通用電氣塑料公司 （馬薩諸塞州匹茲堡）；Ten Cate Advanced Composites （荷蘭 Nijverdal）及其美國子公司 Bryte Technologies 股份有限公司（加利福尼亞州 Morgan Hill）；蘇威高級 聚合物公司，Radell 品牌（佐治亞州 Alparetta）的制造 商；和 Kleerdex 有限責任公司（Aiken，S.C.）。主要的 核心供應商包括 Hexcel、M.C.Gill（加利福尼亞州埃爾蒙特）、Aerocell（華盛頓州瑪麗斯維爾，現為室內裝飾 制造商 C&D Zodiac 股份有限公司所有）、Plascore 股份 有限公司（密歇根州澤蘭）、Euro-Composites Corp. （弗吉尼亞州埃爾克伍德）、Advanced Honeycomb Technologies 股份有限公司（加利福尼亞州圣馬科斯） 和 Schütz（德國塞爾特斯）。所有芯材制造商都從杜邦 先進纖維系統公司購買芳綸纖維紙來生產芯材。
賽達工程材料公司是原始設備制造商和內飾制造 商的主要內飾材料供應商。該公司為各種應用配制自 己的專用酚醛樹脂混合物。此外，賽達還生產熱塑性 內飾產品，包括商標為 Declar 的 PEKK 樹脂熱成型片材，用于注塑和沖壓成型零件。
Webb 是一位長期從事該行業的資深人士，強調了 所有材料供應商所需的技術專業知識，以平衡優異附 著力和優異 FST 性能這兩個相互競爭的目標：“這很 難實現——預浸料坯與芯部的更好附著力需要一組不 同于良好防火性能所需的添加劑。我們在產品開發中努力解決了這一問題。”
他說，新產品總是在醞釀中，與其說是因為 FST 問題，不如說是因為客戶對更輕重量和更快加工的需求。該公司的最新產品是 CYCOM 6825-1，這是一種獨 特的酚醛樹脂體系，可用于各種織物風格的預浸料， 從八束緞面組織到平紋組織再到單向組織。根據氰特 （Cytec）的 Harmon 的說法，這是一種低水分釋放的 酚醛樹脂，以非常低的 20/20 FST 值提供了卓越的表面 光潔度。“預浸料是自粘的，這意味著你可以在快速 循環擠壓型芯的過程中獲得與型芯的良好粘合，而不 需要任何會增加零件重量的粘合劑。”
史蒂夫·停止指出，著色 Declar 熱塑性片材可以定制厚度生產，尺寸為 4 英尺乘 8 英尺（1.2 米乘 2.4 米），帶或不帶裝飾膜蓋，適用于大型飛機。他指出， Declar 的纖維/織物增強版本正在開發中。“熱塑性零 件的一個優點是，它們不僅 OSU FST 值小于 50/50， 而且可以在相對較低的溫度下熱成型，任何裝飾廢料 都可以重復使用。”
Gurit（前身為德國卡塞爾的 Stesalit）是另一家主 要的室內材料供應商，尤其是空客項目的供應商，以 其熱固性酚醛和環氧預浸料而聞名。許多 Gurit 產品已 在空客 A380 和舊一代飛機上獲得資格。Gurit 公司的 業務發展經理馬丁黑（Maarten de Zwart）博士解釋 說，客艙地板鑲板的生產是為了滿足不同的強度要求：乘客座椅下的鑲板承受的載荷最輕，過道上的鑲 板必須支撐行人和食品飲料手推車的載荷，而靠近飛 機艙門的鑲板必須最強。直到最近，面板結構還是通 過將環氧預浸料與特殊配方的酚醛頂層預浸料共固化 來實現的，以滿足航空航天 FST 的要求。最近 A380 的 發展導致 Gurit 的新 EP 137 UD 碳/環氧單向預浸料被 選擇用于需要更高強度和剛度但重量更低的地板鑲 板。馬丁黑博士指出，該產品不需要酚醛樹脂層，因為環氧樹脂配方的 FST 性能較低。
Gurit 還提供用于通風和環境控制系統（ECSenvironmental control system）管道的改性氰酸酯樹脂預浸料。風管的性能要求甚至比暴露的內部部件的性能要求更 嚴格，因為它們還必須滿足嚴格的 FST 值。過去，空 中客車公司采用了在昂貴的熱壓罐工藝中固化的酚醛/ 玻璃預浸料。通過用 Gurit 的非揮發性發射 PN900 低 FST 氰酸酯樹脂體系基質取代它們，可以使用節省成 本的生產工藝，如真空袋固化。此外，在制造步驟中 不再排放游離苯酚和甲醛的事實使 PN900 成為一種有 利的選擇，不僅適用于 ECS 管道，而且在未來適用于 其他飛機內部零件。
赫氏（Hexcel）在歐洲和美國為其 OEM 和售后市 場客戶生產內飾材料。作為一家垂直整合的供應商和 蜂窩夾芯板概念的創始人，該公司生產自己的芯材、 環氧樹脂和預浸料（酚醛樹脂從外部供應商處購買， 并在內部配制）。
尼爾·霍華德表示，赫氏（Hexcel）提供廣泛的內 飾產品。其中最新的是 HexPly M41，這是一種用于墻 壁、天花板和地板的無鹵快速固化酚醛樹脂系統，有 多種織物形式和三種不同的粘性等級。與平板壓制方 法的 30 分鐘循環相比，HexPly M41 在 160ºC/320ºF 的 溫度下循環 4 分鐘或在 140ºC/280ºF 的壓力下循環 8 分 鐘，這反映了酚類在更高溫度下固化更快的事實?；?華德解釋說，M41 表現出良好的表面光潔度，較低的 工藝溫度意味著 Tedlar 薄膜可以與零件共固化。此 外，他指出，FST 的數值在 20/20 的低范圍內。
M.C.Gill 也是垂直整合的，它是預浸料和半成品蜂 窩芯夾芯板的最大供應商之一，生產自己的預浸料、 蜂窩芯和粘合劑。其專有的夾芯板設計支持 OEM 和售 后市場客戶，可作為半成品或預制板提供。銷售和營 銷副總裁 Irv 弗洛因（Irv Freund）表示，M.C.Gill 生產 定制尺寸的面板，采用標準的“庫存”飾面或用 Tedlar 薄膜裝飾。
面板在多開壓機中以纖維增強、樹脂系統和蜂窩 結構的各種組合生產，以滿足最終用戶的嚴格規范。所有樹脂，包括酚醛樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂和丙烯酸樹脂，都是在內部配制的，以實現纖維性能、固 化周期和 FST 的最佳轉化。Irv 弗洛因指出，下一代飛 機設計的推出使新產品的開發成為必要，并強調了重 量的節省。一種新產品是一種輕型地板，商標為 GillFloor 4809，其特點是單向碳纖維增強環氧樹脂面層 和 Kevlar 蜂窩芯。M.C.Gill 的營銷經理坎迪·伯迪克 （Candi Burdick）解釋說，Kevlar N636芯是一種高性能蜂窩，在某些應用中可以比 Nomex 節省重量?？驳?middot;伯迪克說，這種核心，再加上 M.C.Gill 能夠定制 單向碳纖維外皮和粘合劑的面積重量，使產品能夠實 現所需的性能目標，并最大限度地節省重量。Goodrich 公司（俄亥俄州尤寧敦）是一家使用 GillFloor 4809 面板的公司。該產品用于其一些加熱地板產品。Goodrich公司集成了電熱加熱元件、溫度傳感器和電源開關， 以及輕質強度的鈦表面。加熱板用于主艙門周圍，以提供額外的熱量，并最大限度地減少進入客艙的水和雪。
Lewcott Corp.（馬薩諸塞州米爾伯里）是一家著名 的室內裝飾供應商，但有一個轉折點：該公司生產自 己的酚醛基樹脂，不像競爭對手那樣采購和配制，該 公司的產品開發總監卡爾·瓦爾納林（Carl Varnerin） 說：“我們是美國唯一一家生產自己的酚醛樹脂的預 浸料。它的優點是能夠嚴格控制樹脂的性能。”
雖然該公司多年來一直提供其“主力”LC194 酚 醛樹脂，但其新的 LC195 是一種“快速固化”酚醛樹 脂系統，專為快速粉碎型芯加工而設計。瓦爾納林指 出，該公司專門針對售后市場，并向許多主要的內飾 制造商銷售產品。
J.D.Lincoln（加利福尼亞州 Costa Mesa）提供數百 種環氧樹脂和酚醛樹脂系統預浸料，以及用于芯邊緣 封閉的薄膜粘合劑和灌封化合物。該公司最近額外獲 得了 6000 平方英尺（557 平方米）的建筑空間，并安 裝了一臺新的垂直溶液涂布機和膠帶涂布機，以提高產量。Ten Cate Advanced Composites Group 負責航空航 天內飾的全球業務發展經理尼克·蒂芬（Nick Tiffin） 表示，該公司為內飾和空氣外部部件提供熱塑性層壓板。其 CETEX 層壓板由 GE Plastics 的 Ultem 聚醚酰亞 胺樹脂制成，具有優異的 FST 性能，可用于頭頂行李 箱、廚房、存儲單元和地板，其 Bryte Technologies 部 門也為室內提供熱固性預浸料。Isovolta 集團（奧地利 Wiener Neudorf）提供一系列產品，包括裝飾層壓板、 預浸料、蜂窩板和熱塑性片材。Nelcote（前身為 FiberCote Industries 股份有限公司，Waterbury，Conn.） 生產用于室內應用的酚醛樹脂和環氧樹脂預浸料；其 F529 玻璃纖維/酚醛樹脂產品設計用于內部面板的模壓 成型。YLA 股份有限公司（加利福尼亞州貝尼西亞） 提供雙馬來酰亞胺和氰酸酯樹脂系統和預浸料，用于 管道。其 RS7 增韌環氧樹脂系統目前正被用于飛機地 板的聲學阻尼應用。YLA 營銷主管山姆·謝爾（Sam Sher）表示，正在開發的一種有趣的材料是一種用于座 椅結構的環氧基大塊成型化合物（BMC-bulk molding compound），它可以取代鋁。
由于空間限制，無法深入查看由上述材料制成的 無數零件。一個例子是AIM Group PLC（英國漢普郡南安普敦）在其美國設施 AIM Aviation（華盛頓州倫頓）為空客A380模制的新型超輕型行李箱。該應用程 序使用了 Ten Cate 獨特的管狀芯熱塑性面板。但有一 點非常清楚：隨著航空公司轉向更輕、更省油的飛 機，減輕內飾重量正成為制造商的首要任務。一個受 到審查的領域是仍由鋁制成的一組內部零件，如座椅 導軌/底座和頭頂儲物箱中的支架。至少有一家公司正 在研究低成本壓縮成型倉用增強復合材料支架，使其與787等復合材料機身飛機更兼容，因為不需要隔離層來解決電偶腐蝕的可能性。
復合材料具有乘客安全低易燃性、低重量、高強度、耐用化妝品和高效加工的獨特組合，在客機內飾 領域有著廣闊的前景。
參見原文，《 Advanced materials for aircraft interiors 》 2006.11.1
注：文中氰特（Cytec）公司前些年被蘇威(Solvay)公司收購。
楊超凡 2024.6.24
