美國大碳纖維制造商—Hexcel公司:航空領域應用概述

美國Hexcel(赫氏)公司成立于1948年,主要業務包括碳纖維、復合材料和結構部件,現有全職員工7000余人,在各地擁有24個生產基地,而目前Hexcel也是美國大的碳纖維生產商。本文主要介紹了Hexcel公司復合材料產品在航空領域應用。
技術
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  Hexcel產品在航空領域應用概述
  自1946年以來,Hexcel先進復合材料公司一直在保持其強度的同時,通過減輕航空結構的重量來推動未來的飛行。起初,飛機主要是由金屬合金制成的,這種合金非常重、噪音大、腐蝕性強,需要大量的維護,因此比現代的飛行解決方案效率要低。
  航空工業一直在設計中通過采用復合材料來實現與金屬合金同等強度的輕量化解決方案,同時復合材料還具有許多其他的優點,如耐腐蝕性、所需維護量更低、優異的聲音衰減(降噪)、更大的設計自由度和更長的使用壽命。
  自1987年以來,復合材料在航空航天工業中的使用量每五年翻一番,截止目前許多新款飛機如A350XWB和波音777X都是用超過50%的復合材料制造的。Hexcel復合材料可用于商用飛機的發動機和機艙、機翼和尾翼組件、機身、窗框、門、地板、鑲板等。
  2008年,Hexcel獲得了一份合同,為所有的A350 XWB復合材料初級結構提供碳纖維預浸料,這是該公司歷史上大的合同。Hexcel在高強中模碳纖維方面的經驗用于設計符合空客要求的HexTow?IMA。HexPly?M21E預浸料樹脂基體由Hexcel專家開發,以確保固化預浸料層壓板中碳纖維的高性能得到充分優化。
  使用HexPly?M21E/IMA打造的A350 XWB復合材料結構包括整個機身面板、龍骨梁、整個機翼(蓋、翼梁和中心翼箱)和尾翼;而A350XWB下翼蓋是有史以來大的單體民用航空部件,長32米,寬6米,同樣是由Hexcel公司的碳纖維加工而成。
  Hexcel公司碳纖維復合材料也廣泛用于波音787夢幻客機,從而為其提供卓越的強度、剛度和輕量化。787夢幻客機是架采用先進復合材料設計機翼、機身和尾翼主要結構的商用客機。Hexcel的碳纖維、結構預浸料、增強織物、蜂窩芯和工程部件廣泛應用與波音787的許多結構件中,特別是在飛機的發動機和機艙、內飾和二級結構中。
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  Hexcel產品飛機短艙結構中的應用
  在商業飛機中,機艙制造商率先采用了大量的復合材料。20世紀70年代,設計師已經轉向復合材料,來減輕新一代大功率渦輪風扇所需的大型機艙所需的重量。如今的短艙主要由多種復合材料而非金屬制成,不僅可以減輕重量,還可以提供卓越的聲音保護和較低的維護成本。
  由碳纖維和玻璃纖維、芳綸和高溫樹脂制成的復合材料徹底改變了現代機艙的建造方式。碳纖維/環氧樹脂預浸料通常占整個機艙結構(包括進氣罩、風扇罩和反推裝置)體積的一半。一些高性能增韌環氧預浸料,如Hexcel公司HexPly?8552和HexPly?M91環氧樹脂基體,可用于高強度、剛度和耐沖擊性等需求的結構應用。
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  Hexcel產品發動機/引擎中的應用
  近年來商業飛機大的進步是碳纖維風扇葉片在渦扇發動機上的成功應用。長期以來,行業標準一直采用了鈦風機葉片,這種葉片堅固耐用,而且大部分是耐腐蝕的。但是鈦風機葉片需要復雜的疊層和熔合制造方案,而這些葉片大的缺點是它們的重量和維修難度。碳纖維葉片提供了一個更輕的解決方案,不但可以節省燃料,并大大減少維護需要,同時高韌性樹脂系統滿足沖擊要求。
  上世紀90年代,為波音777客機提供動力的GE90是款成功采用碳纖維/環氧樹脂復合材料風扇葉片的商用渦扇發動機。通過使用碳纖維葉片,通用電氣能夠將葉片數量從36個減少到22個,從而顯著降低了發動機的整體重量。在接下來的15年里,這些復合材料葉片的抗沖擊性得到了證明,它們經受了超過180次的鳥擊,只有一個葉片無法使用。Hexcel的高級增韌HexPly?8551-7環氧樹脂基體是GE90計劃的唯一合格材料系統。
  LEAP-1發動機由CFM國際公司開發,是批使用復合材料風扇的單通道飛機發動機之一。這臺發動機上的風扇葉片是由三維編織Hexcel的HexTow?碳纖維,然后注入樹脂傳遞模塑(RTM)樹脂制成的。這種新的3D編織RTM技術不僅減輕了風扇模塊的重量(每臺發動機約500磅),而且使葉片的幾何形狀具有挑戰性。這些風機葉片具有很強的抗沖擊性,非常耐用,因此它們不會有壽命限制,而且是免維護的。
  2013年6月,Hexcel和賽峰簽署了一份長期合同,為LEAP-1發動機項目提供復合材料。合同包括用于制造所有LEAP-1發動機風扇葉片和外殼的Hexcel HexTow?IM7碳纖維,而這些LEAP-1發動機主要用于空客A320neo、波音737MAX和商飛919。發動機內的其他部件,如風扇罩、外部導葉、平臺和整流罩,也正在轉變為復合材料。