关于航空结构的可热成型、可修复和可粘合的智能环氧树脂基复合材料，你了解多少？

就复合材料在工业中的使用而言，航空部门是重要的领导者，因为减重是航空追求的一个关键因素，这要归功于节省燃料的潜力以及由此带来的飞行成本的降低和CO2和NOx排放量的减少。随着复合材料在航空领域的强劲增长，预计到2032年对复合材料的需求会翻一番，碳纤维复合材料已成为人们关注的焦点。然而，如何实现制造碳纤维复合材料部件低成本是当前碳纤维复合材料在航空部门应用的主要障碍之一。

到目前为止，大部分生产的航空碳纤维复合材料部件都是使用热压罐工艺制造的，这是一种非常昂贵且生产率低的制造工艺。碳纤维复合材料生产需要以稳健的材料和工艺以及稳固的制造供应链为基础而快速提升，其中更高的生产率和降低成本是至关重要。

AIRPOXY项目旨在通过引入系列新型热固性复合材料来降低航空领域复合材料部件的生产和维护成本，该系列材料保留了传统热固性材料的所有优点，而且还可以轻松加工和维修及回收利用。

AIRPOXY称此为3R（可再加工性、可修复性和可回收）新一代智能环氧树脂复合材料，该复合材料通过使用动态固化剂获得，可在固化的热固性树脂中产生可逆交联。一旦生产出3R复合材料，固化树脂的动态化学键可以在确定的外部刺激（例如温度或暴露于特定化学试剂）下重新排列。

AIRPOXY项目具体目标：

图 AIRPOXY概念

1. 通过开发新的热固性加工技术，即3R热成型技术，与传统热压罐制造成型工艺相比，比热固性碳纤维复合材料部件制造成本降低了35%以上，制造效率提高了100倍，自动化水平更高。

2. 如将当前与维修或更换热固性碳纤维复合材料部件相关的MRO（维护、维修和大修操作）成本降低50%。这将需要通过应用SHM技术对分层和树脂微裂纹损坏的早期检测和量化相结合来实现，以进行快速修复，并开发比当前修补技术快55%的新3R修复技术。

3. 如将当前热固性碳纤维复合材料部件的粘合剂粘合成本降低50%以上，并将其粘接强度提高20%。这将通过开发一种称为3R键合的新键合工艺来实现。

4. 使用生命周期评估(LCA)和生命周期成本(LCC)方法来量化3R碳纤维复合材料部件在使用寿命结束(EOL)与传统碳纤维复合材料部件的可回收性方面的环境优势。

AIRPOXY项目主要成果：

图 演示器设计（风扇整流罩和前缘子组件）

演示器的规格、制造和组装过程以及材料特性已确定。同时还定义了风扇罩(FC)和前缘(LE)的子组件。

图 风扇罩纵向加强筋连续压缩成型模具

首先，3R环氧树脂已被配制并表征为可用于热成型工艺。此外，还生产了几种经久耐用的预浸料和层压板。经久耐用的预浸料和层压板被用于研究两种热成型加工策略：即连续压缩成型(CCM)和不连续压缩成型(DCM)。最适合的制造方法和工艺参数将被用于将3R技术从实验室升级到工业规模及演示部件制造。另一方面，传统的RTM和SQRTM工艺也是适用于3R环氧树脂在生产3R层压板中的应用，该层压板可用于3R粘合和修复。

两种用于粘合剂粘合和焊接的3R粘合剂薄膜已被配制、制造和表征。实现了3R粘合剂配方的目标，并确定了粘合参数。使用新合成的3R粘合膜和层压板，搭接剪切强度已达到20MPa左右。还进行了粘合部件的机械测试。

在3R焊接工艺方面，已经制造出表面带有3R薄膜的SQRTM面板。焊接参数已定义，焊接复合部件的机械特性测试正在进行中。粘合结构的模拟已经完成。已选择内聚力建模方式来描述模型中粘合剂的行为。工作包括模型实现以及内聚参数的识别和验证。该方法应用于2个代码，以评估每个代码模拟3R粘合剂的潜力，并扩大模拟的可能性。

考虑SHM和修复技术，NDE技术已应用于各种几何形状的试样，以检测由机械测试所引起的缺陷。在某些情况下，无损检测方法已在线应用于模拟服务场景。传统复合材料和3R复合材料的抗击打性已经做了评估。对不同的3R生产工艺进行了首次SHM和机械测试，同时评估了首次修复效率。

图 按照航空标准设计和制造的工具正在组装用于风扇罩演示器

两个演示器（代表FC和LE的子组件）的设计都已完成，并且工具的设计和制造正在进行中。LE腹板和FC纵向加强筋的热成型模拟可以验证零件设计并提供指导。已经定义了验证演示器的测试，并讨论了用于SHM和维修验证的试样。LCA、LCC和HHRA基线技术已经开发。正在将这些参考场景与AIRPOXY技术场景进行比较，并且正在量化收益。

超越现有技术和预期潜在影响的进展（包括迄今为止项目的社会经济影响和更广泛的社会影响）

1. 展示降低成本的能力和使用新一代复合材料和非常规制造方法提高生产率的能力：与热压罐工艺相比，复合部件的制造成本降低了37%，复合部件的组装成本降低与粘接工艺相比降低53%，与修补工艺相比，复合材料部件的维修成本降低50%。

2. 展示通过开发快速节能的热成型制造工艺来提高生产率的能力。生产速度将通过3R热成型工艺成倍增加。

3. 提高创新能力，确保新知识的整合，并将项目研究成果交付给欧洲航空工业/社区。

4. 通过联盟中一级工业合作伙伴的存在和新型创新材料的开发（CID专利申请WO2015181054-A1）来增强欧盟竞争力。

5. AIRPOXY目标的实现和AIRPOXY 3R树脂的工业实施将代表重要的环境效益，全面支持欧洲的环境政策，主要是与二氧化碳减排和塑料废弃物管理相关的政策。

6. 社会影响：降低机票成本、减少化石燃料的消耗和依赖、减少有害气体的排放、更高效的生产链和供应链、创造就业机会和教育。

参考资料：AIRPOXY项目信息

特别感谢：重庆大学王新筑老师对于内容的审核及修订！