复合材料助力航空业腾飞
——本刊记者 吴军
日前，全球领先的高性能热塑性塑料供应商索尔维(Solvay)特种聚合物事业部亮相SAMPE 中国 2014年会暨第九届先进复合材料制品、原材料、工装及工程应用展览会，集中展示了旗下广泛的高性能聚合物产品组合。展会期间，本刊记者采访了索尔维航空及复合材料业务拓展经理Armin Klesing博士以及索尔维特种聚合物大中华区及东南亚地区业务运营总经理杜志仲博士，就复合材料在航空业领域的发展进行了交流……
复合材料挑战航空领域四大应用
在索尔维，特种聚合物产品应用最广的领域当属汽车行业。汽车行业对产品提出了高温、抗化学性、高密度以及取代金属的实际挑战。而航空航天业面临更高层次的挑战。总体上来讲，复合材料在航空领域的应用主要分为四个类别。
第一类是能源管理。能源管理又包括能源捕获、能源储存和能源消费三个方面。在能源捕捉方面，一个非常典型的例子是在“阳光动力号”上太阳能的捕捉，这个部件是一个低阻隔的夹层架构，而外层是一个低密度的聚乙烯三氟氯乙烯（ECTFE）薄膜，轻量化的Halar?誖ECTFE薄膜，取代原有的玻璃涂层，可以为光伏电池提供耐候性支持，且不会折损光传输效率。在能源存储方面，当前的核心是要提高电池的能量密度，实现电池体量最小化。除此之外，低成本也是当前面临的挑战之一。而在能源消耗方面，首当其冲是要把磨损和蠕变尽量控制在最小的范围。比如KetaSpire?誖PEEK具有优异的耐化学性，可提供出色的强度与硬度，卓越的抗疲劳特性，具有卓越的耐水解性及低吸湿率，还可在高达150°C（302°F）高温下持续使用。
第二类是结构件。热固性复合材料的主体是环氧树脂，环氧树脂具有脆性，需要通过一系列抗冲击改良剂来进行改性从而改善环氧树脂的抗冲击性，满足航空材料的冲击力修复的需求。此外，索尔维还投资了一家公司AONIX，以促进新一代热塑性复合材料的技术。这项技术实现了比环氧树脂更加优越或者等同于环氧树脂的化学性质。比如索尔维通过基于PEEK和PAEK的技术，能够实现比环氧树脂材质生产的固件更加低成本。在“阳光动力号”这一100%使用复合材料的机型上，索尔维不仅提供了这些结构件材料，还作为一个系统的专业技术咨询顾问，提供设计、工程方面的技术咨询，从而使生产量最大化。
第三类是可靠性。一般商用飞机的服役年限大约为30～40年。所以它所用到的材料一定要具有非常优异的抗疲劳性能。同时，还要在阻燃、低烟和低毒性方面表现优越。此外，还需要具有非常好的航空液体耐受性，如农药、空气清新剂等都可能会使飞机造成磨损。在这方面，索尔维提供并且促进了高性能树脂的研发。如Radel PPSU（聚亚苯基砜）在抗冲击性以及耐化学性方面表现都非常优异，比其他的聚合物的抗冲击性要高出十倍以上。空客和波音使用Radel PPSU已经有超过20年的历史了，过去20年间没有任何跟这一产品相关的故障出现。值得一提的是，日前，索尔维特旗下五种KetaSpire?誖聚醚醚酮（PEEK）牌号已获得中国领先飞机制造商中国商用飞机有限责任公司（COMAC）的质量认证资格，并将用于其下一代飞机的生产制造。KetaSpire?誖PEEK玻纤增强和碳纤维增强牌号为严苛的应用环境提供十分广泛的性能选择。这一材料针对广泛的航空航天应用需求，如电子及机械部件、隔热隔声毯的薄膜组件、电连接器及通常采用金属或尼龙等标准工程塑料制作的多种航空航天硬件等。另外，AvaSpire?誖PAEK（聚芳醚酮）作为比PEEK成本更低的替代性技术，越来越受到航空业的青睐。它的韧性以及温度的稳定性比PEEK要更高。
第四类是舒适内饰。在航空座椅扶手的生产上，Ixef?誖PARA（芳族聚酰胺）在强度和刚度方面表现突出，同时具有非常好的质感和舒适性，是业内的首选产品。另外，索尔维推出了全新系列的泡沫产品，一个是PVDF（聚偏二氟乙烯）泡沫，由索尔维和日本JSP公司合作研发，可以一次成型更大规格尺寸的部件。为过去行业普遍存在的废料多、需要手工成型的问题提供了解决方案,大大降低了生产成本，提高了生产效率。另外一个是PPSU（聚亚苯基砜）泡沫。Redal?誖PPSU的突破性技术就是实现了内饰的夹层结构，可以用在飞机上的管道、座椅设施以及侧壁等。Redal泡沫不需要额外的填充过程。相比蜂巢芯体设计，Radel泡沫不需要额外填充以及表面处理，大大减少了材料以及人力。而且，这种夹层设计结构在抗冲击力的表现上非常优越。
热固性与热塑性材料共同发展
当被问及索尔维在热固性与热塑性材料的投资和精力是否会进行转移时，Armin Klesing表示，热固性材料与热塑性材料的发展成熟度不一样，热塑件发展还处于婴儿阶段，而热固件经过几十年的研发和积累，发展已经非常成熟。因此，当前热塑件的研发远远落后于热固件。在Armin Klesing看来，对于一些大的航空领域的结构件，比如机翼这种结构件，热固件起码在未来的发展还有几十年的时间。因此，索尔维也将持续研发，为热固件的供应商提供技术方面的支持，比如此前提到的抗冲击改良剂的开发。
Armin Klesing还指出，索尔维将同时大力支持热固件和热塑件的技术发展。但不可否认，未来索尔维会更多地去投资热塑件技术的研发，使得热塑件生产技术的成熟度能够达到跟热固件一样。此外，索尔维还会去发掘适用于热塑件而热固件无法实现的一些全新的应用。
持续投入服务中国市场
在谈到索尔维的产品创新研发时，杜志仲指出一个产品可能会应用到多个不同的领域，比如PVDF泡沫，PVDF同时也用在锂电池，以及光伏封装材料。因此，索尔维将持续推进原料性能的研发。而在应用研发方面，市场发展人员会将市场对产品的需求反馈给研发技术人员，研发人员会判断需要什么产品来回应市场的需求，并持续进行开发。在中国，索尔维也一直在持续进行研发的投入
杜志仲表示，中国市场一开始是属于代工性的需要。但是未来中国的实际内需会变成强劲的需求动力，包括汽车市场、空气污染、新能源、油气开采、废能源的回收利用等消费性行业以及工业领域的需求，索尔维都将承载使命，为中国市场提供解决方案。
>>>关于阳光动力号：
“阳光动力号”飞机（Solar Impulse）是由一批致力于环保事业的瑞士科学家、工程师和探险家研制开发，而索尔维公司是该项目主要的发起者和投资者之一。
从2003年开始，来自世界各地的56名工程师及上百位顾问就开始研制一架能实现昼夜飞行的太阳能飞机，他们的目标就是要制作一架完全由太阳能驱动的飞机，而且在飞行期间不消耗任何发动机燃料，也不排放任何污染物质。经过多年的努力，2009年12月，第一架“阳光动力号”飞机正式完工。
这款具有革命性意义的飞机由复合材料制成，融合了碳纤维蜂窝夹层结构。翼展72米（比波音747-8I的翼展还要大），重量仅为2300千克，与一辆小轿车的重量相当。机翼上表面由太阳能电池板构成，下表面则用高阻抗柔性薄膜制成。120块碳纤肋条以50厘米（19.6英寸）的间隔嵌在机翼当中，不仅满足了机翼在空气动力学方面的要求，又确保了它们的坚硬度。该机机翼中共镶嵌了17000片太阳能电池，可以为机上的4个电动马达（每个电机电压为17.5CV）提供清洁能源。
据报道，明年3月“阳光动力2号”将首次开启环游世界飞行之旅，根据目前计划，中国将是飞行途中的停歇地之一。