突破高速冲击瓶颈：不连续热塑性复合材料在航空发动机领域的创新应用

在航空工业追求效率与可持续性的浪潮中，减重降耗成为核心目标。复合材料在替代航空发动机重型金属部件方面成效显著，而不连续长纤维（DLF）热塑性复合材料更展现出巨大潜力 —— 美国格林 - Tweed 公司（Greene Tweed）的 DLF 材料已在 500 多种航空零部件中实现平均 35% 的减重效果，远超铝材表现。然而，要将其应用于涡扇发动机前端易受冰雹冲击的关键部位，必须攻克高速冲击性能难题，明确复合材料成分、细观结构及与连续纤维混杂后的性能影响，最终建立一套兼顾抗冲击性的设计方法与解决方案。

DLF 材料的航空应用基础与挑战

DLF 热塑性复合材料（TPC）凭借航空级碳纤维 / PEEK 单向预浸带为原料，经切割成薄片后模压成型，已在复杂形状航空部件中成功替代金属多年。该材料具备优异的耐化学性、刚度、高温稳定性和玻璃化转变温度以上的抗蠕变性，还能通过一体化成型实现设计自由度提升，将多个零件整合为单一结构。格林 - Tweed 公司已完成其准静态力学性能表征，积累了高温强度、疲劳和蠕变等关键数据，支撑起基于分析的设计方法。

发动机前端的风扇平台是 DLF 材料的重要目标应用部件，相比金属材质每台发动机可减重超 8 磅。这类部件几何形状复杂，传统连续纤维材料（如单向带、编织物）需通过复杂铺层或类树脂传递模塑（RTM）工艺才能成型，而 DLF 材料通过 Xycomp 系列模塑料，可借助自动化、可重复的近净成型工艺快速制造复杂部件，同时热塑性基体赋予材料从原料到成品的高回收性，还能满足气动表面所需的光滑度要求。

尽管 DLF 材料已在 12 种商用飞机上累计装机近 50 万个零件（包括结构支架、外壳、盖板等），但其在发动机前端的应用仍面临冰雹高速冲击的严峻挑战。此前，DLF 原型风扇平台虽能满足最大超速强度和动态性能等常规要求，但在高速冰雹冲击测试中，试样表现未达预期，成为制约其拓展应用的关键瓶颈。

板材冲击测试：揭示损伤机制与优化方向

为系统表征 Xycomp DLF 材料的冲击性能，格林 - Tweed 采用 “积木式金字塔” 研究方法，先进行板材试样测试，再推进至成型演示件验证。测试使用直径 2 英寸的球形透明冰雹，通过自制冲击测试装置发射，配合每秒 10000 帧的高速相机记录损伤过程。测试板材尺寸为 6×12 英寸、厚度 0.15 英寸，水平倾斜 30° 固定长边，重点研究不同材料组合的抗冲击表现。

6×12×0.15 英寸厚度板材冲击测试结果：不同 DLF 成分组合下对 2 英寸冰雹冲击的抗冲击性能（以冲击速度为变量）

测试样本涵盖多种材料配置：包括 AS4、IM7 碳纤维与 PA6、PEEK、PEKK 等基体组合的 UD 带切割薄片，准静态性能一致的两种 AS4/PEEK 材料（用于对比预浸带结构影响），S2 玻璃纤维增强 PEEK 材料，以及采用新型 “2.0” 薄片形状的碳纤维 / PEEK 材料（该形状此前已在准静态和疲劳测试中使拉伸强度提升 50% 以上）。此外，测试还包含准各向同性连续纤维层合板、交叉铺层织物，以及 “正面（冲击面）连续纤维 + 背面 DLF” 的混杂结构，同时研究了板材厚度对冲击性能的影响。

Greene Tweed的平板DLF材料冰雹冲击测试夹具（上）和航空发动机演示平台（下）。

测试结果揭示了 DLF 板材的核心损伤机制：高速冲击下，板材背面会从冲击点引发拉伸裂纹并向顶部扩展。这是因为 DLF 材料在拉伸载荷下的强度显著低于其他载荷形式，高速冲击会在冲击区域下方产生局部弯曲应力，当应力超过拉伸强度时即发生失效。高速相机从背面拍摄的画面显示，冲击侧材料出现局部 “撕裂”，而正面无可见损伤，这一现象经计算机断层扫描（CT）验证确认。

在性能影响因素方面，测试得出多项关键结论：板材厚度每增加 1 毫米，抗冲击速度可提升约 40 米 / 秒；AS4 与 IM7 碳纤维的替换未改善冲击 resistance；冲击面采用连续纤维的混杂结构对性能无提升，进一步印证了拉伸失效的核心机制；而将碳纤维替换为 S2 玻璃纤维、采用结晶度更低的聚合物基体，或在试样拉伸侧（背面）采用连续纤维增强（正面为 DLF），均能提升抗冲击性能。

最显著的性能突破来自新型“DLF 2.0” 薄片形状的应用。这种专利设计通过优化薄片几何形状，减少纤维薄片端部的应力集中，大幅提升材料表观韧性。在未改变其他参数的情况下，DLF 2.0 试样的抗冰雹冲击性能超过了连续纤维层合板，包括由相同基材制成的准各向同性层合板。研究团队认为，DLF 部件的高速冲击性能并非由单一成分参数主导，而是取决于复合材料的表观韧性 —— 这一指标由成分组合、界面结合状态及预浸带细观结构共同决定，而薄片几何形状对细观结构的优化，正是性能跃升的关键。

渲染图显示了在演示平台上测试的五个影响位置，最关键的位置突出显示在顶部。这里显示了由各种材料制成的2英寸冰雹撞击平台的试验结果，其中“MM”（x轴上最右边）表示成型参数的变化，以更好地利用DLF 2.0新型片状材料。

风扇平台演示件测试：验证实际应用可行性

基于板材测试的关键发现，格林 - Tweed 设计并制造了一款风扇平台演示件，其结构与 25000-35000 磅推力级发动机的实际零件高度接近。设计核心是通过几何结构优化控制冲击挠度：在部件内部设置中心肋条，沿侧边布置加强角撑，缩小气动表面冲击区域的无支撑范围，确保冰雹冲击时的挠度处于安全水平。

测试选取 5 个冲击位置，其中右上角因无支撑区域最大，被确定为最危险位置。团队针对该位置测试了板材研究中筛选出的关键混杂材料，结果表明，即使采用标准 DLF 材料，也能通过优化设计达到冰雹冲击 resistance 目标。虽然 DLF 2.0 材料的性能更优，但标准 DLF 材料的达标意味着无需重新认证新材料，极大降低了应用门槛。同时，板材研究中提炼的设计准则，为演示件抗冲击性能的提升提供了关键支撑，而 DLF 2.0 仍可作为更高性能需求场景的备选方案。

冲击后的微 CT 扫描结果与板材测试一致：局部弯曲引发的拉伸失效模式下，未出现表面可见损伤的部件内部无任何损伤。这是因为此类载荷下的最大应变集中在部件外表面，使得关键损伤区域易于观察和检测。最终，采用已装机认证的 AS4/PEEK 碳纤维材料（Xycomp 5175）制造的 DLF 风扇平台演示件，成功通过了高速冰雹冲击测试，验证了其商业应用可行性。

Greene Tweed的航空发动机风扇平台演示由Xycomp不连续长纤维（DLF）热塑性复合材料制成。

技术突破赋能复合材料应用升级

通过本次针对 DLF 材料高速冲击性能的专项研发，格林 - Tweed 在现有生产基础上拓展了多项核心能力，包括混杂材料组合设计、几何结构优化、无损检测 / 微 CT 应用以及 DLF 2.0 材料的持续迭代，推动不连续热塑性复合材料向更苛刻的航空应用场景进军。

此次研究的成功，不仅验证了 DLF 材料在航空发动机前端风扇平台等关键部位的应用潜力，更巩固了其相比机加工铝材在减重、性能和成本方面的综合优势。随着技术的持续完善，不连续热塑性复合材料有望在航空工业中实现更广泛的应用，为航空装备的效率提升和可持续发展注入新的动力。