在航空工業(yè)追求效率與可持續(xù)性的浪潮中，減重降耗成為核心目標(biāo)。復(fù)合材料在替代航空發(fā)動機(jī)重型金屬部件方面成效顯著，而不連續(xù)長纖維（DLF）熱塑性復(fù)合材料更展現(xiàn)出巨大潛力 —— 美國格林 - Tweed 公司（Greene Tweed）的 DLF 材料已在 500 多種航空零部件中實(shí)現(xiàn)平均 35% 的減重效果，遠(yuǎn)超鋁材表現(xiàn)。然而，要將其應(yīng)用于渦扇發(fā)動機(jī)前端易受冰雹沖擊的關(guān)鍵部位，必須攻克高速沖擊性能難題，明確復(fù)合材料成分、細(xì)觀結(jié)構(gòu)及與連續(xù)纖維混雜后的性能影響，最終建立一套兼顧抗沖擊性的設(shè)計方法與解決方案。

DLF 材料的航空應(yīng)用基礎(chǔ)與挑戰(zhàn)

DLF 熱塑性復(fù)合材料（TPC）憑借航空級碳纖維 / PEEK 單向預(yù)浸帶為原料，經(jīng)切割成薄片后模壓成型，已在復(fù)雜形狀航空部件中成功替代金屬多年。該材料具備優(yōu)異的耐化學(xué)性、剛度、高溫穩(wěn)定性和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上的抗蠕變性，還能通過一體化成型實(shí)現(xiàn)設(shè)計自由度提升，將多個零件整合為單一結(jié)構(gòu)。格林 - Tweed 公司已完成其準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能表征，積累了高溫強(qiáng)度、疲勞和蠕變等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，支撐起基于分析的設(shè)計方法。

發(fā)動機(jī)前端的風(fēng)扇平臺是 DLF 材料的重要目標(biāo)應(yīng)用部件，相比金屬材質(zhì)每臺發(fā)動機(jī)可減重超 8 磅。這類部件幾何形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)連續(xù)纖維材料（如單向帶、編織物）需通過復(fù)雜鋪層或類樹脂傳遞模塑（RTM）工藝才能成型，而 DLF 材料通過 Xycomp 系列模塑料，可借助自動化、可重復(fù)的近凈成型工藝快速制造復(fù)雜部件，同時熱塑性基體賦予材料從原料到成品的高回收性，還能滿足氣動表面所需的光滑度要求。

盡管 DLF 材料已在 12 種商用飛機(jī)上累計裝機(jī)近 50 萬個零件（包括結(jié)構(gòu)支架、外殼、蓋板等），但其在發(fā)動機(jī)前端的應(yīng)用仍面臨冰雹高速沖擊的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此前，DLF 原型風(fēng)扇平臺雖能滿足最大超速強(qiáng)度和動態(tài)性能等常規(guī)要求，但在高速冰雹沖擊測試中，試樣表現(xiàn)未達(dá)預(yù)期，成為制約其拓展應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

板材沖擊測試：揭示損傷機(jī)制與優(yōu)化方向

為系統(tǒng)表征 Xycomp DLF 材料的沖擊性能，格林 - Tweed 采用 “積木式金字塔” 研究方法，先進(jìn)行板材試樣測試，再推進(jìn)至成型演示件驗(yàn)證。測試使用直徑 2 英寸的球形透明冰雹，通過自制沖擊測試裝置發(fā)射，配合每秒 10000 幀的高速相機(jī)記錄損傷過程。測試板材尺寸為 6×12 英寸、厚度 0.15 英寸，水平傾斜 30° 固定長邊，重點(diǎn)研究不同材料組合的抗沖擊表現(xiàn)。

6×12×0.15 英寸厚度板材沖擊測試結(jié)果：不同 DLF 成分組合下對 2 英寸冰雹沖擊的抗沖擊性能（以沖擊速度為變量）

測試樣本涵蓋多種材料配置：包括 AS4、IM7 碳纖維與 PA6、PEEK、PEKK 等基體組合的 UD 帶切割薄片，準(zhǔn)靜態(tài)性能一致的兩種 AS4/PEEK 材料（用于對比預(yù)浸帶結(jié)構(gòu)影響），S2 玻璃纖維增強(qiáng) PEEK 材料，以及采用新型 “2.0” 薄片形狀的碳纖維 / PEEK 材料（該形狀此前已在準(zhǔn)靜態(tài)和疲勞測試中使拉伸強(qiáng)度提升 50% 以上）。此外，測試還包含準(zhǔn)各向同性連續(xù)纖維層合板、交叉鋪層織物，以及 “正面（沖擊面）連續(xù)纖維 + 背面 DLF” 的混雜結(jié)構(gòu)，同時研究了板材厚度對沖擊性能的影響。

Greene Tweed的平板DLF材料冰雹沖擊測試夾具（上）和航空發(fā)動機(jī)演示平臺（下）。

測試結(jié)果揭示了 DLF 板材的核心損傷機(jī)制：高速沖擊下，板材背面會從沖擊點(diǎn)引發(fā)拉伸裂紋并向頂部擴(kuò)展。這是因?yàn)?nbsp;DLF 材料在拉伸載荷下的強(qiáng)度顯著低于其他載荷形式，高速沖擊會在沖擊區(qū)域下方產(chǎn)生局部彎曲應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過拉伸強(qiáng)度時即發(fā)生失效。高速相機(jī)從背面拍攝的畫面顯示，沖擊側(cè)材料出現(xiàn)局部 “撕裂”，而正面無可見損傷，這一現(xiàn)象經(jīng)計算機(jī)斷層掃描（CT）驗(yàn)證確認(rèn)。

在性能影響因素方面，測試得出多項(xiàng)關(guān)鍵結(jié)論：板材厚度每增加 1 毫米，抗沖擊速度可提升約 40 米 / 秒；AS4 與 IM7 碳纖維的替換未改善沖擊 resistance；沖擊面采用連續(xù)纖維的混雜結(jié)構(gòu)對性能無提升，進(jìn)一步印證了拉伸失效的核心機(jī)制；而將碳纖維替換為 S2 玻璃纖維、采用結(jié)晶度更低的聚合物基體，或在試樣拉伸側(cè)（背面）采用連續(xù)纖維增強(qiáng)（正面為 DLF），均能提升抗沖擊性能。

最顯著的性能突破來自新型“DLF 2.0” 薄片形狀的應(yīng)用。這種專利設(shè)計通過優(yōu)化薄片幾何形狀，減少纖維薄片端部的應(yīng)力集中，大幅提升材料表觀韌性。在未改變其他參數(shù)的情況下，DLF 2.0 試樣的抗冰雹沖擊性能超過了連續(xù)纖維層合板，包括由相同基材制成的準(zhǔn)各向同性層合板。研究團(tuán)隊認(rèn)為，DLF 部件的高速沖擊性能并非由單一成分參數(shù)主導(dǎo)，而是取決于復(fù)合材料的表觀韌性 —— 這一指標(biāo)由成分組合、界面結(jié)合狀態(tài)及預(yù)浸帶細(xì)觀結(jié)構(gòu)共同決定，而薄片幾何形狀對細(xì)觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，正是性能躍升的關(guān)鍵。

渲染圖顯示了在演示平臺上測試的五個影響位置，最關(guān)鍵的位置突出顯示在頂部。這里顯示了由各種材料制成的2英寸冰雹撞擊平臺的試驗(yàn)結(jié)果，其中“MM”（x軸上最右邊）表示成型參數(shù)的變化，以更好地利用DLF 2.0新型片狀材料。

風(fēng)扇平臺演示件測試：驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用可行性

基于板材測試的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，格林 - Tweed 設(shè)計并制造了一款風(fēng)扇平臺演示件，其結(jié)構(gòu)與 25000-35000 磅推力級發(fā)動機(jī)的實(shí)際零件高度接近。設(shè)計核心是通過幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制沖擊撓度：在部件內(nèi)部設(shè)置中心肋條，沿側(cè)邊布置加強(qiáng)角撐，縮小氣動表面沖擊區(qū)域的無支撐范圍，確保冰雹沖擊時的撓度處于安全水平。

測試選取 5 個沖擊位置，其中右上角因無支撐區(qū)域最大，被確定為最危險位置。團(tuán)隊針對該位置測試了板材研究中篩選出的關(guān)鍵混雜材料，結(jié)果表明，即使采用標(biāo)準(zhǔn) DLF 材料，也能通過優(yōu)化設(shè)計達(dá)到冰雹沖擊 resistance 目標(biāo)。雖然 DLF 2.0 材料的性能更優(yōu)，但標(biāo)準(zhǔn) DLF 材料的達(dá)標(biāo)意味著無需重新認(rèn)證新材料，極大降低了應(yīng)用門檻。同時，板材研究中提煉的設(shè)計準(zhǔn)則，為演示件抗沖擊性能的提升提供了關(guān)鍵支撐，而 DLF 2.0 仍可作為更高性能需求場景的備選方案。

沖擊后的微 CT 掃描結(jié)果與板材測試一致：局部彎曲引發(fā)的拉伸失效模式下，未出現(xiàn)表面可見損傷的部件內(nèi)部無任何損傷。這是因?yàn)榇祟愝d荷下的最大應(yīng)變集中在部件外表面，使得關(guān)鍵損傷區(qū)域易于觀察和檢測。最終，采用已裝機(jī)認(rèn)證的 AS4/PEEK 碳纖維材料（Xycomp 5175）制造的 DLF 風(fēng)扇平臺演示件，成功通過了高速冰雹沖擊測試，驗(yàn)證了其商業(yè)應(yīng)用可行性。

Greene Tweed的航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇平臺演示由Xycomp不連續(xù)長纖維（DLF）熱塑性復(fù)合材料制成。

技術(shù)突破賦能復(fù)合材料應(yīng)用升級

通過本次針對 DLF 材料高速沖擊性能的專項(xiàng)研發(fā)，格林 - Tweed 在現(xiàn)有生產(chǎn)基礎(chǔ)上拓展了多項(xiàng)核心能力，包括混雜材料組合設(shè)計、幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化、無損檢測 / 微 CT 應(yīng)用以及 DLF 2.0 材料的持續(xù)迭代，推動不連續(xù)熱塑性復(fù)合材料向更苛刻的航空應(yīng)用場景進(jìn)軍。

此次研究的成功，不僅驗(yàn)證了 DLF 材料在航空發(fā)動機(jī)前端風(fēng)扇平臺等關(guān)鍵部位的應(yīng)用潛力，更鞏固了其相比機(jī)加工鋁材在減重、性能和成本方面的綜合優(yōu)勢。隨著技術(shù)的持續(xù)完善，不連續(xù)熱塑性復(fù)合材料有望在航空工業(yè)中實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，為航空裝備的效率提升和可持續(xù)發(fā)展注入新的動力。