不來梅纖維研究所（FIBRE）研究的“DNA”是材料測試。在其ECOMAT工廠，其大部分復合材料研究都集中在航空航天和/或可持續性上，包括低溫測試（從左起順時針）、定制纖維放置（TFP）、天然纖維復合材料拉擠和自動膠帶纏繞方面的工作。

 

隨著飛機和航天器制造商朝著下一代技術邁進，包括大型熱塑性復合材料主結構、包括氫能在內的碳排放減少推進和多功能結構，在資格認證和商業化之前，需要進行大量的材料測試和驗證工作。

CW最近有機會趕上了Faserinstitut Bremen e.V.（德國FIBRE），這是一家合法獨立的研究機構，在四個地點運營，擁有約60名員工，專注于纖維增強聚合物復合材料和技術應用纖維的研究，重點是支持下一代飛機和航天器技術。

以何種身份？“我們的DNA是材料測試，”FIBRE主任大衛·梅（David May）教授解釋道。事實上，該研究所于20世紀50年代從不來梅棉花交易所分拆出來，對紡織品中使用的棉花材料進行質量測試。到20世紀80年代末，該組織已經發展成為一個獨立的研究所，并與當地不來梅大學合作，其工作開始從質量測試過渡到對包括棉花、羊毛和植物纖維在內的各種纖維的更先進的研究，隨后是合成纖維和加工技術。在過去的25年里，復合材料逐漸被添加到混合物中并得到擴展，如今復合材料約占FIBRE研究的75%。特別是熱塑性復合材料（TPC）是一個重點。

“我們說材料測試是我們的DNA，因為我們對纖維、聚合物和復合材料進行表征，從單纖維測試到紗線測試再到試樣級復合材料測試。除此之外，我們還開展與制造工藝開發、工藝模擬、監測和質量保證以及零件設計相關的活動，” 梅說。

FIBRE約10%的資金來自不來梅政府，90%來自第三方基金。自2012年以來，該研究所參與了100多個公共資助的研究項目，以及眾多行業資助的研發項目。

不萊梅的ECOMAT設施內設有由FIBRE、空中客車公司、德國航空航天中心（DLR）等機構占用的研究空間。

該研究所目前在不來梅大學校園、ECOMAT（生態高效材料與技術中心）研究與技術中心、不來梅棉花交易所以及斯塔德技術中心設有研究所。

除了研究本身，FIBRE還通過與大學的合作關系參與了教學和學生研究項目，并為ITHEC會議制定了技術計劃，這是過去15年來每隔一年在不來梅舉行的TPC會議。“這是歐洲唯一一個真正專注于高性能TPC的會議，”梅說。“我喜歡這次會議，因為所有與會者都從事熱塑性塑料的研究，并且都是真正對推進該領域感興趣的專家，因此演講的質量是一流的。”

“基本上，我們所做的一切都有助于可持續發展。”

今年早些時候，CW有機會參觀了FIBRE的ECOMAT工廠，并在最近趕上了梅，梅于2024年8月擔任主任，還在不來梅大學任教，并擔任空客無鉚釘裝配技術的特聘主席。

ECOMAT本身于2019年開放，是由不萊梅自由漢薩城與空中客車和其他合作伙伴共同運營的聯合研究設施，旨在推進實現氣候中立航空的技術。ECOMAT擁有500多名研究人員，擁有各種租戶，包括FIBRE、空客、Testia GmbH、德國航空航天中心（DLR）等。

FIBRE的ECOMAT基地位于不來梅的機場中心，與空中客車、阿麗亞娜集團、MT航空航天公司和其他航天航空領域的公司為鄰，自然強調與航空航天應用相關的研究項目。梅補充道：“不來梅是航空航天之城，包括航天器。”

在這個重點范圍內，該網站的研究有多個分支，包括低溫氫、輕量化設計和制造技術、3D打印、虛擬測試和審批程序（下面將詳細介紹其中一些研究領域）。

作為ECOMAT的一部分，我們也非常關注與可持續發展相關的技術。梅說：“間接地，我們所做的一切基本上都有助于可持續發展。”。“例如，我們正在進行低溫測試，以便空中客車公司能夠為氫動力飛機開發油箱。熱塑性塑料允許更節能的工藝。我們正在研究生物基聚合物和纖維以及再生碳纖維。這在某種程度上都是關于可持續性的。”

能力：低溫實驗室、拉擠、TFP、自動鋪層等

自ECOMAT工廠開業以來的6年里，FIBRE逐漸增加了員工和能力。如今，這個1500平方米的空間雇傭了大約30名研究人員以及當地大學的研究生和本科生。

FIBRE的現場能力和研究領域包括：

• 低溫試驗
• 拉擠和纏繞
• 自動纖維鋪放（AFP）
• 焊接和修補
• 定制纖維鋪放（TFP）
• 熱成型
• 注塑成型和包覆成型
• 步入式輻射屏蔽艙，用于X射線開發和分析等。

CW訪問期間最新、最突出的領域是冷凍實驗室。

支持未來飛機儲氫的低溫測試

空中客車公司可能將其ZEROe氫動力飛機的推出時間表推遲到了2040年代，但該公司仍致力于該計劃，值得注意的是，空中客車公司和其他公司在2025年6月的巴黎航展上宣布了與氫動力飛機相關的多個合作伙伴關系和項目。

在FIBRE公司方面，延期并不會影響正在進行的研究，梅解釋道：“我們專注于試樣級別的測試，因此無論商業方面的進度如何，現在都必須著手研究材料在低溫條件下能表現。”

FIBRE ECOMAT基地的最新研究空間是其冷凍實驗室，該實驗室包括在液氮和氣態氦中進行試樣級材料測試的能力。這項工作的一部分包括開發新的聲學測試方法，同時將樣品浸入低溫罐中。

為了支持這項工作，2024年，FIBRE的ECOMAT工廠安裝了一個低溫材料測試實驗室（cryolab），部分與空客合作建造和維護。

目前，該實驗室配備了一臺機器，能夠在低至-196°C的溫度和高達100千牛頓（kN）的壓力下對浸入液氮的材料試樣進行拉伸和彎曲試驗，無論是準靜態還是動態試驗。該實驗室還安裝了一臺測試機，用于在低至-250°C的溫度和高達100kN的負載下測試氣態氦中的樣品。梅解釋說，這臺機器不僅能夠進行靜態測試，還能夠進行動態熱循環，“以研究熱和機械引起的裂紋萌生和擴展”?，F場滲透測試目前正在建設中。空中客車公司在實驗室中還有一個動態氦氣系統，可以對樣品進行溫度循環。

該實驗室目前專注于熱固性復合材料和TPC測試，但也表征了其他材料，如金屬或粘合劑。

除了機械性能外，研究人員還可以使用測試機測量4K至200°C的熱膨脹系數等性能，從而可以研究材料和部件設計中的滲透、潛在開裂。

這些機器是最終測試材料在低溫氫氣下的行為的第一步。梅補充道：“第一步是弄清楚如何進行測試。”。“當你突然使用浸沒在低溫液氮罐中的樣品時，你必須重新考慮你的測試設備。你如何測量伸長率？你如何測量聲發射？一切都是新的。”FIBRE的研究人員開發了新的聲發射測試方法，使用能夠拾取通過浸沒罐的聲音傳播的麥克風。

他補充道：“氦氣可以覆蓋非常大的溫度范圍，而且比液氮甚至氫氣更容易處理。當然，作為一個行業，我們還不確定在氦氣中進行的測試是否可以轉移到氫氣中，所以這是我們必須研究的第一件事。”

FIBRE的低溫實驗室旨在幫助研究人員了解復合材料在低溫下的行為，包括裂紋的形成和傳播

梅解釋說，除了FIBRE的冷凍實驗室外，ECOMAT還計劃在未來幾年內建造一個附近的ECOMAT氫氣中心（EHC），該中心將容納涉及空客和其他研究在飛機中使用氫氣推進的研究設施。

最終，所有這些努力都旨在支持和啟用基礎設施，如用于運輸低溫氫氣的儲存系統和管道，FIBRE計劃在EHC中安裝用于測試液態低溫氫氣樣品的能力。梅說：“這套測試機器將使我們不僅能夠研究低溫條件下的機械行為，還可以評估可轉移性，例如，在更簡單、更便宜的氦氣測試和更復雜但更接近應用的氫氣測試之間。”

熱塑性復合材料研究：制造、連接、維修

FIBRE ECOMAT工廠最大的實驗室空間容納了拉擠、TFP和AFP系統的區域，目前的研究項目主要集中在使用TPC以及一些生物基材料優化制造、焊接和維修工藝上。

梅說：“TPC對飛機原始設備制造商特別有吸引力，因為你可以比熱固性塑料更快地完成這項工作，以滿足他們想要的生產率增長。但這是一個真正需要研究的領域，因為（在TPC中重新設計一個零件）也意味著你必須重新思考從制造到連接再到維修的一切。”

FIBRE在ECOMAT的TPC研究包括：

• 了解包覆成型TPC的粘合強度和內部應力，以優化零件設計和制造工藝
• 電阻和超聲波焊接，實現無鉚釘航空航天裝配
• 使用感應加熱等進行零件維修。

FIBRE展示了其對彎曲熱塑性復合材料（TPC）面板感應修復的研究。

關于維修，FIBRE正在研究的一項技術是使用FIBRE的機器人AFP系統（由德國赫爾佐根拉特的Conbility提供）制造碳纖維/聚苯硫醚（PPS）貼片。該系統能夠制造出高度定制的彎曲貼片，與原始零件的性能非常匹配。

使用msquare GmbH（德國斯圖加特）的感應墊將該補丁焊接到斜切損傷區域。梅說：“你抽真空，把墊子放進去，然后可以用它對TPC零件進行原位加固或修復。”。FIBRE正致力于使用其ATP機器對彎曲TPC零件進行基于感應的固結。

FIBRE的Conability膠帶纏繞系統于2025年初交付，包括KUKA（德國奧格斯堡）機器人上的模塊化膠帶處理涂布器、纏繞軸和放置臺，放置臺周圍有經過認證的激光安全單元。

關于連接，FIBRE正在研究使用TPC的各種焊接技術。梅說：“將傳統的粘合策略應用于TPC比粘合熱固性復合材料更復雜。因此，焊接有很大的潛力，像MFFD（多功能機身演示器）這樣的大型演示器已經建立起來，可以展示這種潛力，但仍有許多工作要做，在材料層面上仍需要理解。這就是研究機構發揮作用的地方。”

深入了解FIBRE發表的幾篇技術論文：

1. “通過貼片感應焊接修復彎曲熱塑性復合材料結構的材料適應方法”
2. “頂層取向和富樹脂界面層對LMPAEK-CF/PEEK-CF包覆成型接頭強度的影響”

TFP的過程監控

FIBRE運營著一個ZSK（德國克雷費爾德）TFP系統，用于研究高度定制的預成型件的制造，目前主要關注并使用碳纖維和混合碳纖維/熱塑性紗線。最近的工作包括研究用于檢測預成型件缺陷的過程監測方法以及實時調整過程的能力。

FIBRE的研究助理馬里烏斯·梅勒（Marius Möller）解釋說：“當你在計算機上編程針腳輪廓時，并不總是清楚纖維和粗紗最終將如何精確地位于你的預成型件上。”

FIBRE在飛機窗框預制件演示器上展示了其TFP過程監控研究

該團隊安裝了一個基于3D激光的監測系統，在縫合預成型件時對其進行掃描，測量和報告高度數據，以幫助用戶確定織物是否存在任何缺陷，如裂縫或折痕。這與提供圖像和寬度測量的高對比度相機相結合，用于檢測纖維中的潛在間隙。

“我們使用這些數據來預測最終預成型件的外觀，并可以進行調整，” 梅勒說。目標是與行業合作伙伴合作，將其轉化為機器學習軟件系統。“這將有助于在行進過程中自動調整縫合輪廓，因此您不必在迭代過程中進行。”

優化天然纖維復合材料拉擠成型工藝

雖然航空航天是ECOMAT工廠的重點，但值得注意的是，FIBRE在不來梅的位置也適合其他工業研究領域。梅說：“除了航天和航空，不來梅市還以擁有造船廠的貿易城市而聞名。”。這導致了與附近位于不來梅的Circular Structures GmbH的合作，該公司是一家亞麻纖維復合材料專家，以其Greenboats品牌開始造船。

BMWE資助的（聯邦經濟事務和能源部）BioPul項目于2024年8月正式啟動，為期兩年，旨在優化拉擠工藝，以用于天然纖維。

Circular Structures專門從事亞麻纖維/生物環氧樹脂浸漬，最初用于制造船只，最終擴展到風力葉片發動機艙和休閑車等應用。Circular Structures的研發主管保羅·里森（Paul Riesen）解釋說：“然而，輸液可能既昂貴又勞動密集，所以我們一直在研究拉擠等低成本選擇。”。

在BioPul項目中，Circular Structures與FIBRE和拉擠機Thomas Technik（德國布雷默沃德）合作，根據實際負載情況選擇和設計試驗型材的材料。

FIBRE結構設計和制造技術研究助理西蒙·博森（Simon Boysen）解釋說，使用FIBRE的內部Thomas Technik拉擠機，“我們從一個非常小的輪廓開始，看看它是否可行。”。“與典型的玻璃纖維相比，天然纖維的長度很短，短至20厘米，這在拉擠過程中會導致很多問題。其中最重要的是模具到拉擠單元之間的距離。”調整和優化天然纖維的拉擠系統需要反復試驗。

從FIBRE拉擠工藝中出現的亞麻纖維復合材料型材演示器。此后，FIBRE及其合作伙伴已經開發出更復雜的形狀，包括歐米茄形狀的輪廓演示器。

另一個挑戰是，天然纖維通常比合成纖維吸收更多的水分和濕度，因此在粗紗從筒子網上拔下后，第一步需要安裝烤箱。博森說：“我們一直在研究的一部分是評估預干燥的工藝參數，我們目前的工藝是大約10分鐘的預干燥過程，以獲得最佳的拉擠含水量。”

研究人員首先通過拉擠扁平型材來完善預干燥和拉擠工藝，使用浸漬有液體環氧樹脂的單向（UD）亞麻粗紗。接下來，他們開始在拉擠型材中集成一層雙軸斜紋亞麻織物作為中間層，作為一種核心。

為什么這么做？博森解釋說：“我們希望能夠改善和控制機械性能，不僅像傳統拉擠型材那樣在0°方向上，而且在+/-45°和90°方向上。”。“我們知道如何實現UD拉擠型材，包括現在使用亞麻纖維。這里的目標是將這些材料用于需要更靈活地排列纖維和紡織品的應用。”

博森指出，最初引入這部分流程存在挑戰。“最初，我們無法對紡織品進行預干燥，因此額外的水分含量導致了型材硬化的問題。下一步是在烤箱上添加導板，這樣我們也可以對紡織品進行預先干燥。”未來的目標是顛倒這種安排，創造出兩層織物表皮夾著UD拉擠芯的型材。

FIBRE的Thomas Technik拉擠生產線，如圖所示，用于加工玻璃纖維復合材料。

從那里，研究人員能夠測試更復雜幾何形狀的拉擠，從L型材開始，最終演示歐米茄型材零件，有和沒有額外的織物增強。

根據研究人員的說法，迄今為止的結果表明，纖維體積含量高達65%時，抗拉強度和剛度提高了30%，孔隙率小于3%。

這可以用于哪些應用程序？Circular Structures的Greenlander品牌旨在使用拉擠技術更快地制造露營車型材，與手工鋪疊和真空灌注相同零件相比，材料更少。Greenboats品牌還可以使用這種技術來制造電纜管道和桁條等海洋部件。

了解更多信息并參與其中

低溫材料測試、熱塑性塑料研究、過程監測和天然纖維拉擠只是FIBRE與其行業和學術合作伙伴在ECOMAT及其其他地點開展的眾多項目中的一小部分。訪問faserinstitut.de/en，了解有關該組織正在進行的項目的更多信息，并了解如何參與其中。

原文《Putting next-generation composite materials, processes to the test》2025.10.3

楊超凡