布伦瑞克纤维研究所ECOMAT基地与行业合作伙伴共同开展的研究旨在开发可持续的航空航天专用复合材料——包括热塑性焊接和低温材料测试技术。
不来梅纤维研究所（FIBRE）研究的“DNA”是材料测试。 在其ECOMAT工厂，其大部分复合材料研究都集中在航空航天和/或可持续性上，包括低温测试（从左起顺时针）、定制纤维放置（TFP）、天然纤维复合材料拉挤和自动胶带缠绕方面的工作。 随着飞机和航天器制造商朝着下一代技术迈进，包括大型热塑性复合材料主结构、包括氢能在内的碳排放减少推进和多功能结构，在资格认证和商业化之前，需要进行大量的材料测试和验证工作。 CW最近有机会赶上了Faserinstitut Bremen e.V.（德国FIBRE），这是一家合法独立的研究机构，在四个地点运营，拥有约60名员工，专注于纤维增强聚合物复合材料和技术应用纤维的研究，重点是支持下一代飞机和航天器技术。 以何种身份？“我们的DNA是材料测试，”FIBRE主任大卫·梅（David May）教授解释道。事实上，该研究所于20世纪50年代从不来梅棉花交易所分拆出来，对纺织品中使用的棉花材料进行质量测试。到20世纪80年代末，该组织已经发展成为一个独立的研究所，并与当地不来梅大学合作，其工作开始从质量测试过渡到对包括棉花、羊毛和植物纤维在内的各种纤维的更先进的研究，随后是合成纤维和加工技术。在过去的25年里，复合材料逐渐被添加到混合物中并得到扩展，如今复合材料约占FIBRE研究的75%。特别是热塑性复合材料（TPC）是一个重点。 “我们说材料测试是我们的DNA，因为我们对纤维、聚合物和复合材料进行表征，从单纤维测试到纱线测试再到试样级复合材料测试。除此之外，我们还开展与制造工艺开发、工艺模拟、监测和质量保证以及零件设计相关的活动，” 梅说。 FIBRE约10%的资金来自不来梅政府，90%来自第三方基金。自2012年以来，该研究所参与了100多个公共资助的研究项目，以及众多行业资助的研发项目。 不莱梅的ECOMAT设施内设有由FIBRE、空中客车公司、德国航空航天中心（DLR）等机构占用的研究空间。 该研究所目前在不来梅大学校园、ECOMAT（生态高效材料与技术中心）研究与技术中心、不来梅棉花交易所以及斯塔德技术中心设有研究所。 除了研究本身，FIBRE还通过与大学的合作关系参与了教学和学生研究项目，并为ITHEC会议制定了技术计划，这是过去15年来每隔一年在不来梅举行的TPC会议。“这是欧洲唯一一个真正专注于高性能TPC的会议，”梅说。“我喜欢这次会议，因为所有与会者都从事热塑性塑料的研究，并且都是真正对推进该领域感兴趣的专家，因此演讲的质量是一流的。” “基本上，我们所做的一切都有助于可持续发展。” 今年早些时候，CW有机会参观了FIBRE的ECOMAT工厂，并在最近赶上了梅，梅于2024年8月担任主任，还在不来梅大学任教，并担任空客无铆钉装配技术的特聘主席。 ECOMAT本身于2019年开放，是由不莱梅自由汉萨城与空中客车和其他合作伙伴共同运营的联合研究设施，旨在推进实现气候中立航空的技术。ECOMAT拥有500多名研究人员，拥有各种租户，包括FIBRE、空客、Testia GmbH、德国航空航天中心（DLR）等。 FIBRE的ECOMAT基地位于不来梅的机场中心，与空中客车、阿丽亚娜集团、MT航空航天公司和其他航天航空领域的公司为邻，自然强调与航空航天应用相关的研究项目。梅补充道：“不来梅是航空航天之城，包括航天器。” 在这个重点范围内，该网站的研究有多个分支，包括低温氢、轻量化设计和制造技术、3D打印、虚拟测试和审批程序（下面将详细介绍其中一些研究领域）。 作为ECOMAT的一部分，我们也非常关注与可持续发展相关的技术。梅说：“间接地，我们所做的一切基本上都有助于可持续发展。”。“例如，我们正在进行低温测试，以便空中客车公司能够为氢动力飞机开发油箱。热塑性塑料允许更节能的工艺。我们正在研究生物基聚合物和纤维以及再生碳纤维。这在某种程度上都是关于可持续性的。” 能力：低温实验室、拉挤、TFP、自动铺层等 自ECOMAT工厂开业以来的6年里，FIBRE逐渐增加了员工和能力。如今，这个1500平方米的空间雇佣了大约30名研究人员以及当地大学的研究生和本科生。 FIBRE的现场能力和研究领域包括： 低温试验 拉挤和缠绕 自动纤维铺放（AFP） 焊接和修补 定制纤维铺放（TFP） 热成型 注塑成型和包覆成型 步入式辐射屏蔽舱，用于X射线开发和分析等。 CW访问期间最新、最突出的领域是冷冻实验室。 支持未来飞机储氢的低温测试 空中客车公司可能将其ZEROe氢动力飞机的推出时间表推迟到了2040年代，但该公司仍致力于该计划，值得注意的是，空中客车公司和其他公司在2025年6月的巴黎航展上宣布了与氢动力飞机相关的多个合作伙伴关系和项目。 在FIBRE公司方面，延期并不会影响正在进行的研究，梅解释道：“我们专注于试样级别的测试，因此无论商业方面的进度如何，现在都必须着手研究材料在低温条件下能表现。” FIBRE ECOMAT基地的最新研究空间是其冷冻实验室，该实验室包括在液氮和气态氦中进行试样级材料测试的能力。这项工作的一部分包括开发新的声学测试方法，同时将样品浸入低温罐中。 为了支持这项工作，2024年，FIBRE的ECOMAT工厂安装了一个低温材料测试实验室（cryolab），部分与空客合作建造和维护。 目前，该实验室配备了一台机器，能够在低至-196°C的温度和高达100千牛顿（kN）的压力下对浸入液氮的材料试样进行拉伸和弯曲试验，无论是准静态还是动态试验。该实验室还安装了一台测试机，用于在低至-250°C的温度和高达100kN的负载下测试气态氦中的样品。梅解释说，这台机器不仅能够进行静态测试，还能够进行动态热循环，“以研究热和机械引起的裂纹萌生和扩展”。现场渗透测试目前正在建设中。空中客车公司在实验室中还有一个动态氦气系统，可以对样品进行温度循环。 该实验室目前专注于热固性复合材料和TPC测试，但也表征了其他材料，如金属或粘合剂。 除了机械性能外，研究人员还可以使用测试机测量4K至200°C的热膨胀系数等性能，从而可以研究材料和部件设计中的渗透、潜在开裂。 这些机器是最终测试材料在低温氢气下的行为的第一步。梅补充道：“第一步是弄清楚如何进行测试。”。“当你突然使用浸没在低温液氮罐中的样品时，你必须重新考虑你的测试设备。你如何测量伸长率？你如何测量声发射？一切都是新的。”FIBRE的研究人员开发了新的声发射测试方法，使用能够拾取通过浸没罐的声音传播的麦克风。 他补充道：“氦气可以覆盖非常大的温度范围，而且比液氮甚至氢气更容易处理。当然，作为一个行业，我们还不确定在氦气中进行的测试是否可以转移到氢气中，所以这是我们必须研究的第一件事。” FIBRE的低温实验室旨在帮助研究人员了解复合材料在低温下的行为，包括裂纹的形成和传播 梅解释说，除了FIBRE的冷冻实验室外，ECOMAT还计划在未来几年内建造一个附近的ECOMAT氢气中心（EHC），该中心将容纳涉及空客和其他研究在飞机中使用氢气推进的研究设施。 最终，所有这些努力都旨在支持和启用基础设施，如用于运输低温氢气的储存系统和管道，FIBRE计划在EHC中安装用于测试液态低温氢气样品的能力。梅说：“这套测试机器将使我们不仅能够研究低温条件下的机械行为，还可以评估可转移性，例如，在更简单、更便宜的氦气测试和更复杂但更接近应用的氢气测试之间。” 热塑性复合材料研究：制造、连接、维修 FIBRE ECOMAT工厂最大的实验室空间容纳了拉挤、TFP和AFP系统的区域，目前的研究项目主要集中在使用TPC以及一些生物基材料优化制造、焊接和维修工艺上。 梅说：“TPC对飞机原始设备制造商特别有吸引力，因为你可以比热固性塑料更快地完成这项工作，以满足他们想要的生产率增长。但这是一个真正需要研究的领域，因为（在TPC中重新设计一个零件）也意味着你必须重新思考从制造到连接再到维修的一切。” FIBRE在ECOMAT的TPC研究包括： 了解包覆成型TPC的粘合强度和内部应力，以优化零件设计和制造工艺 电阻和超声波焊接，实现无铆钉航空航天装配 使用感应加热等进行零件维修。 FIBRE展示了其对弯曲热塑性复合材料（TPC）面板感应修复的研究。 关于维修，FIBRE正在研究的一项技术是使用FIBRE的机器人AFP系统（由德国赫尔佐根拉特的Conbility提供）制造碳纤维/聚苯硫醚（PPS）贴片。该系统能够制造出高度定制的弯曲贴片，与原始零件的性能非常匹配。 使用msquare GmbH（德国斯图加特）的感应垫将该补丁焊接到斜切损伤区域。梅说：“你抽真空，把垫子放进去，然后可以用它对TPC零件进行原位加固或修复。”。FIBRE正致力于使用其ATP机器对弯曲TPC零件进行基于感应的固结。 FIBRE的Conability胶带缠绕系统于2025年初交付，包括KUKA（德国奥格斯堡）机器人上的模块化胶带处理涂布器、缠绕轴和放置台，放置台周围有经过认证的激光安全单元。 关于连接，FIBRE正在研究使用TPC的各种焊接技术。梅说：“将传统的粘合策略应用于TPC比粘合热固性复合材料更复杂。因此，焊接有很大的潜力，像MFFD（多功能机身演示器）这样的大型演示器已经建立起来，可以展示这种潜力，但仍有许多工作要做，在材料层面上仍需要理解。这就是研究机构发挥作用的地方。” 深入了解FIBRE发表的几篇技术论文： “通过贴片感应焊接修复弯曲热塑性复合材料结构的材料适应方法” “顶层取向和富树脂界面层对LMPAEK-CF/PEEK-CF包覆成型接头强度的影响” TFP的过程监控 FIBRE运营着一个ZSK（德国克雷费尔德）TFP系统，用于研究高度定制的预成型件的制造，目前主要关注并使用碳纤维和混合碳纤维/热塑性纱线。最近的工作包括研究用于检测预成型件缺陷的过程监测方法以及实时调整过程的能力。 FIBRE的研究助理马里乌斯·梅勒（Marius Möller）解释说：“当你在计算机上编程针脚轮廓时，并不总是清楚纤维和粗纱最终将如何精确地位于你的预成型件上。” FIBRE在飞机窗框预制件演示器上展示了其TFP过程监控研究 该团队安装了一个基于3D激光的监测系统，在缝合预成型件时对其进行扫描，测量和报告高度数据，以帮助用户确定织物是否存在任何缺陷，如裂缝或折痕。这与提供图像和宽度测量的高对比度相机相结合，用于检测纤维中的潜在间隙。 “我们使用这些数据来预测最终预成型件的外观，并可以进行调整，” 梅勒说。目标是与行业合作伙伴合作，将其转化为机器学习软件系统。“这将有助于在行进过程中自动调整缝合轮廓，因此您不必在迭代过程中进行。” 优化天然纤维复合材料拉挤成型工艺 虽然航空航天是ECOMAT工厂的重点，但值得注意的是，FIBRE在不来梅的位置也适合其他工业研究领域。梅说：“除了航天和航空，不来梅市还以拥有造船厂的贸易城市而闻名。”。这导致了与附近位于不来梅的Circular Structures GmbH的合作，该公司是一家亚麻纤维复合材料专家，以其Greenboats品牌开始造船。 BMWE资助的（联邦经济事务和能源部）BioPul项目于2024年8月正式启动，为期两年，旨在优化拉挤工艺，以用于天然纤维。 Circular Structures专门从事亚麻纤维/生物环氧树脂浸渍，最初用于制造船只，最终扩展到风力叶片发动机舱和休闲车等应用。Circular Structures的研发主管保罗·里森（Paul Riesen）解释说：“然而，输液可能既昂贵又劳动密集，所以我们一直在研究拉挤等低成本选择。”。 在BioPul项目中，Circular Structures与FIBRE和拉挤机Thomas Technik（德国布雷默沃德）合作，根据实际负载情况选择和设计试验型材的材料。 FIBRE结构设计和制造技术研究助理西蒙·博森（Simon Boysen）解释说，使用FIBRE的内部Thomas Technik拉挤机，“我们从一个非常小的轮廓开始，看看它是否可行。”。“与典型的玻璃纤维相比，天然纤维的长度很短，短至20厘米，这在拉挤过程中会导致很多问题。其中最重要的是模具到拉挤单元之间的距离。”调整和优化天然纤维的拉挤系统需要反复试验。 从FIBRE拉挤工艺中出现的亚麻纤维复合材料型材演示器。此后，FIBRE及其合作伙伴已经开发出更复杂的形状，包括欧米茄形状的轮廓演示器。 另一个挑战是，天然纤维通常比合成纤维吸收更多的水分和湿度，因此在粗纱从筒子网上拔下后，第一步需要安装烤箱。博森说：“我们一直在研究的一部分是评估预干燥的工艺参数，我们目前的工艺是大约10分钟的预干燥过程，以获得最佳的拉挤含水量。” 研究人员首先通过拉挤扁平型材来完善预干燥和拉挤工艺，使用浸渍有液体环氧树脂的单向（UD）亚麻粗纱。接下来，他们开始在拉挤型材中集成一层双轴斜纹亚麻织物作为中间层，作为一种核心。 为什么这么做？博森解释说：“我们希望能够改善和控制机械性能，不仅像传统拉挤型材那样在0°方向上，而且在+/-45°和90°方向上。”。“我们知道如何实现UD拉挤型材，包括现在使用亚麻纤维。这里的目标是将这些材料用于需要更灵活地排列纤维和纺织品的应用。” 博森指出，最初引入这部分流程存在挑战。“最初，我们无法对纺织品进行预干燥，因此额外的水分含量导致了型材硬化的问题。下一步是在烤箱上添加导板，这样我们也可以对纺织品进行预先干燥。”未来的目标是颠倒这种安排，创造出两层织物表皮夹着UD拉挤芯的型材。 FIBRE的Thomas Technik拉挤生产线，如图所示，用于加工玻璃纤维复合材料。 从那里，研究人员能够测试更复杂几何形状的拉挤，从L型材开始，最终演示欧米茄型材零件，有和没有额外的织物增强。 根据研究人员的说法，迄今为止的结果表明，纤维体积含量高达65%时，抗拉强度和刚度提高了30%，孔隙率小于3%。 这可以用于哪些应用程序？Circular Structures的Greenlander品牌旨在使用拉挤技术更快地制造露营车型材，与手工铺叠和真空灌注相同零件相比，材料更少。Greenboats品牌还可以使用这种技术来制造电缆管道和桁条等海洋部件。 了解更多信息并参与其中 低温材料测试、热塑性塑料研究、过程监测和天然纤维拉挤只是FIBRE与其行业和学术合作伙伴在ECOMAT及其其他地点开展的众多项目中的一小部分。访问faserinstitut.de/en，了解有关该组织正在进行的项目的更多信息，并了解如何参与其中。
原文《Putting next-generation composite materials, processes to the test》2025.10.3
