随着航空工业持续致力于提升效率与可持续性，每减轻一磅重量都能降低燃油消耗及相应排放。复合材料在替代飞机发动机中较重的金属部件方面已取得显著进展，但仍有更大潜力可控。例如，格林·特威德公司（美国，宾夕法尼亚州兰斯代尔）已证明，其不连续长纤维（DLF）材料在超过500个飞机零件号中，相较于铝材，平均可将复杂形状部件的重量减轻35%。然而，为了能将其应用于涡轮风扇发动机的前部，需要对DLF材料的高速冲击行为进行表征，以了解不同复合材料组分、细观结构以及与连续纤维材料可能复合的效果。最终目标是为此类应用开发一种提升抗冲击性的设计方法和解决方案。
DLF风扇平台的抗冲击性
多年来，DLF热塑性复合材料（TPC）已成功替代复杂形状航空航天部件中的金属，其使用的是经航空航天认证的碳纤维/PEEK预浸料单向（UD）带，这些带被切割成片状并经过压缩成型。这些材料具有良好的耐化学性、刚度、高温耐受能力和玻璃化转变温度以上的抗蠕变性，同时凭借将多个部件集成到单一结构中的能力，提供了增强的设计自由度。格林·特威德已投资表征其准静态力学性能或称许用值，以支持基于分析的设计方法，包括高温强度、疲劳和蠕变数据。然而，这些材料（构成纤维增强TPC的一个子类）的高速（>100米/秒）冲击行为尚未得到充分研究。
[图片说明：用于冲击测试的格林·特威德航空发动机风扇平台演示件效果图，具有内部中心加强筋（橙色）和侧面的加强角撑（蓝色），以减少其气动表面上可能遭受冰雹冲击的无支撑区域。]
在涡轮风扇发动机的前部，风扇平台是覆盖发动机毂部、位于风扇叶片之间并将气流导向低压压缩机的部件。这一直是格林·特威德的目标领域，与金属相比，每台发动机有望减重超过8磅。然而，这些部件的复杂几何形状使得使用传统的连续纤维材料（如UD带、编织物和织物）具有挑战性，尽管确实存在通过类似于树脂传递模塑（RTM）的工艺、使用复杂铺层和3D编织的解决方案。
[图片说明：由Xycomp DLF热塑性复合材料制成的格林·特威德航空发动机风扇平台演示件。]
格林·特威德通过其Xycomp DLF压缩模塑化合物展示了一种替代方案，能够使用自动化且可重复的近净形工艺快速制造高度复杂的部件。这种对模成型还能为具有气流表面的部件生产出所需的光滑气动表面，同时热塑性基体的使用大大增强了从原材料到最终部件的可回收性。
尽管Xycomp DLF已得到充分验证——目前有近50万个部件（包括结构支架、外壳、盖板、通风口、门等）在12种商用飞机上飞行——但对于不连续纤维材料而言，将其用于位于发动机前部、易受冰雹冲击损伤的部件则更具挑战性。长期以来，已知采用Xycomp DLF制造的原型风扇平台能够满足典型的机械要求（如最大超速时的强度）以及动态性能要求——除了高速冰雹冲击，此前在试片上的实验结果并不理想。
格林·特威德复合材料研发中心（瑞士伊韦尔东）的研究人员接受了这一挑战，旨在理解这种材料在高速冲击下的基本行为。该团队启动了一项重要的冲击测试计划，在代表性试片上评估不同的预浸料带及其组分，以及连续和不连续纤维增强复合材料的混合材料。连续纤维增强复合材料包括层压板和织物，而格林·特威德对不连续材料的内部研究导致使用了一种获得专利的新型短切带状片材形状，内部称为”DLF 2.0″（相对于格林·特威德标准的0.5 × 0.5英寸片材）。这显著提高了抗冲击性，促使团队制造了一个演示部件，该部件在实验中经受住了直径2英寸的冰雹以其最临界位置、以200米/秒的速度撞击而没有任何损伤。
探究平板的失效模式
[图片说明：格林·特威德用于平板（上图）和航空发动机演示平台（下图）中DLF材料的冰雹冲击测试装置。]
为了表征其Xycomp DLF材料的冲击行为，格林·特威德遵循了构建模块金字塔式方法，首先测试平板试片，然后进展到成型演示件。冲击测试使用直径2英寸的球形透明冰雹，从自建的冰雹冲击测试装置中发射。测试通过高速摄像机拍摄，每秒捕获10,000帧，以研究视觉可观察到的损伤机制。测试对象为6 × 12英寸、厚0.15英寸的平板，这些平板相对于水平面倾斜30°，并在较长边缘处固定。
这些平板使用标称体积分数为60%的AS4和IM7碳纤维增强PA6、PEEK、PEKK、LMPAEK和PEI基体的UD带制造，然后切割成片材以形成Xycomp DLF材料。测试了两种具有统计上相同准静态性能的AS4/PEEK材料，以比较预浸料结构可能产生的影响，同时基线PEEK材料也使用S2玻璃纤维进行了测试。此外，基线碳纤维/PEEK材料采用新型”2.0″片材形状进行切割，因为先前已证明这在准静态和疲劳测试中能将拉伸强度提高50%以上。还测试了连续纤维层压板，包括准各向同性铺层和正交铺层织物。测试的混合样品是在”前”面（冲击面）使用连续纤维材料，背面使用DLF制造的，因为生产设计中可以在背面增加形状复杂性。最后，在参考材料系统上研究了DLF平板厚度的影响。
[图片说明：对6 × 12 × 0.15英寸厚平板的冲击测试结果，显示了各种DLF组分组合抵抗2英寸冰雹冲击的能力与速度的函数关系。]
在DLF平板上观察到的损伤模式总是始于平板背面的拉伸裂纹，从冲击位置向平板顶部扩展。已知标准DLF在拉伸载荷下明显弱于其他载荷条件。高速冲击在冲击位置下方产生局部平板弯曲应力状态，当该应力超过DLF的拉伸强度时，逻辑上会导致样品失效。这可以从受冲击平板背面拍摄的视频中清晰观察到，可以看到冲击侧下方的材料发生局部”撕裂”，而正面则看不到任何损伤。这一点后来在计算机断层扫描（CT）检测中得到验证，这意味着样品几何形状本身有些不太适合展示DLF在实际应用中的真实能力，因为真实部件会包含局部加强筋以减少这些关键部件位置的拉伸应变。
关于平板厚度的影响，在其它测试条件相似的情况下，每增加一毫米厚度似乎能增加约40米/秒的抗冲击能力。从AS4碳纤维改为IM7碳纤维并未改善抗冲击性。在冲击面使用连续纤维材料的混合结构也没有改善，这进一步验证了先前确定的关键损伤机制。然而，从碳纤维改为S2玻璃纤维选项确实提高了抗冲击性，使用结晶度较低的聚合物或在测试样品背面（受拉侧）使用连续纤维增强材料（正面为DLF）也是如此，尽管这种铺层在实际应用中的用途有限。
[图片说明：6 × 12 × 0.15英寸厚DLF试片抵抗2英寸冰雹冲击的能力，显示了采用新型片材形状的”DLF 2.0″的显著改进。]
最显著的变化是通过使用新型片材形状（”DLF 2.0″）实现的。这种获得专利的几何形状改变旨在减少复合材料片材末端可能出现的应力集中，从而提高材料的表观韧性。在不改变任何其他因素的情况下，发现DLF 2.0样品的抗冰雹冲击能力超过了连续纤维层压板，包括使用与改性DLF相同基材制成的准各向同性层压板的测试结果。
在评估了所有结果后，团队假设没有任何单一组分参数主导DLF部件的高速冲击行为。相反，关键参数似乎是复合材料的表观韧性，其本身是特定组分配对及其之间实现的界面以及预浸料带细观结构的函数。这些内在属性相互关联程度的最清晰证明，是通过改变片材几何形状（从而改变部件的细观结构）所获得的性能巨大提升。尽管这种材料属性的可预测性不足，但本研究仍能获得一些有趣的通用趋势。
平台演示件测试
利用初始平板测试的结果，制造了一个内部设计的、非常接近用于25,000-35,000磅推力级别发动机真实部件的风扇平台演示件。在所采用的设计指南中，格林·特威德团队通过几何上的充分加强，将冰雹冲击时部件的预估变形限制在安全水平（根据平板测试确定）。这是通过在部件内部策略性地布置中心加强筋和沿其侧面的加强角撑来实现的，以限制可能受冲击的气动表面无支撑区域的大小。
[图片说明：左图显示了在演示平台上测试的五个冲击位置，其中最关键的顶部位置已高亮显示。此处显示了使用不同材料制成的平台遭受2英寸冰雹冲击的试验结果，其中”MM”（X轴最右侧）表示改变了模塑参数以更好地利用DLF 2.0新型片材形状材料。]
最初研究了五个冲击位置，毫不意外的是，呈现最大无支撑区域的右上角被证明是最关键的。一旦确定了这个关键位置，就研究了在平板研究中确定的几种关键混合材料。得益于试片研究和更深入理解DLF在高速冲击下的失效机理，团队能够证明使用标准DLF材料实现抗冰雹冲击目标是可能的。尽管采用改进片材几何形状的性能确实更高，但能够在此类应用中使用当前的DLF材料是非常受欢迎的，这避免了重新认证新材料的需要。同样重要的是，格林·特威德成功从平板研究中得出了足够的设计指南，以实现这种改进的抗冲击性能。尽管如此，DLF 2.0版本仍然是需要更高性能应用的一个可选方案。
为确保没有遗漏任何信息，在冲击后使用微CT对选定的样品进行了扫描。与最初的平板测试一样，很明显，由局部弯曲引起的拉伸失效模式占主导地位，这意味着在大部分部件中，如果其表面没有可见损伤，则在内部也找不到损伤。这是因为在此类载荷情况下，最高应变总是出现在部件的外表面，确保了关键位置易于观察。
未来部件的更高失效强度
通过这项旨在研究和优化DLF在高速冲击和涡扇航空发动机前部应用中性能的开发工作，格林·特威德已经开发并探索了广泛的能力，这些能力现在与其现有的生产基础设施形成了互补。混合材料组合、几何优化、无损检测/微CT以及通过DLF 2.0进行的持续材料开发，正在不断将不连续TPC推向更严苛和更高要求的应用。
这项研究计划的成功通过实际制造和测试一个DLF风扇平台部件得到了验证，该部件使用已飞行且经过认证的AS4/PEEK碳纤维材料（Xycomp 5175）制成，这巩固了有竞争力的成本并确保了商业可行性。与机加工铝部件相比，Xycomp DLF持续提供重量、性能和成本上的节省，航空发动机风扇平台现已被证明是具备足够抗冲击性的此类能力的一个范例。
关于作者
塞巴斯蒂安·科勒
塞巴斯蒂安·科勒是格林·特威德（美国，宾夕法尼亚州兰斯代尔）结构与工程部件先进技术小组的一名科学家，致力于热塑性复合材料研究。他常驻该公司位于瑞士伊韦尔东的复合材料研发中心，是一个跨职能团队的一员，该团队致力于从构思到最终部件的新应用开发，同时开发新型复合材料和新颖的模塑工艺。他拥有瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的机械工程博士学位，其论文涉及薄层复合材料的多尺度实验和数值研究。
来源：compositesworld