复合材料产业HEXCEL,何以成为美国军民机、国防材料关键支柱?

HEXCEL(赫氏)公司于1946年创建,于1948年在美国加州注册,1978年成为上市公司,1983年注册地点改迁到美国德拉华州。HEXCEL是领先的高级复合材料公司,开发、制造和销售轻质、高性能结构材料,包括碳纤维、特种增强材料、预浸料和其他纤维增强材料、基质材料、蜂窝、粘合剂等,这些材料主要应用于商业航空航天、宇航、国防和工业市场。产品的终端应用包括商业和军事飞机、空间运载火箭和卫星、风力涡轮机叶片、汽车以及娱乐产品等工业应用。工业通过其制造设施服务国际市场,在美洲、亚洲、太平洋洲、欧洲以及俄罗斯均有销售办事处。

图-HEXCEL碳纤维生产工厂

HEXCEL公司在加州北部旧金山湾由加州大学伯克利分校的几个兄弟成立并发展起来,在成立初期就已经小有名气了。事实上,HEXCEL的共同建立者Roger C. Steele、Roscoe T. ‘Bud’ Hughes早在大学以前,就在Piedmont高中的足球场上结识了。并在二战时期一起参加海战。从最开始的足球比赛到后来宣誓为祖国而战,正是这些不同寻常的经历,让HEXCEL在发展初期的不稳定阶段也具备着强大的凝聚力。

HEXCEL公司遵从一切向前看的经营理念,50多年来一直为广大客户提供了优质的工业原料。从战后Roger Steele在郊外地下室里面的一个实验室,到阿波罗11号着陆舱lunar struts的生产,HEXCEL始终恪守创新的原则。HEXCEL公司也是航空发动机和印刷电路板材料制造的创新者,早在70年代,凭借其特有的滑雪板开始进军体育和娱乐休闲产业。

如今,HEXCEL公司不再生产滑雪板,但其复合材料生产位于领先水平。2019年美国Hexcel公司全年销售额为23.557亿美元,按固定汇率计算,比2018年增长8.6%,其中商用(民用)航空、太空和国防、工业领域销售额分别占68%、19%、13%,尤其是前两者总和占比已经接近90%,因此Hexcel成为维系美国军机、民机以及国防用复合材料的关键支柱。

此外,HEXCEL是第一家生产用于金属和金属胶接的胶粘剂的公司;是第一家规模生产蜂窝的公司;第一家研发并供应风能叶片用预浸料的公司。HEXCEL铝合金蜂窝应用于Apollo 11的脚垫以吸收能量,第一个登上月球。2008年赫氏赢得历史上第一大单,为空客A350XWB所有主结构提供材料。

发展历程

01

1954年公司名称由California Reinforced Plastics 更名为 Hexcel Products, Inc.,1965年由于越战军事需要,Hexcel生产的蜂窝结构复合材料在国防领域实现了高增长,随后便开始扩张。

02

上世纪90年代是复合材料企业举步维艰的阶段,在1993年由于经营问题,Hexcel公司申请破产保护,在随后的1994年经过多方筹资筹到5000万美元,终于在1995年2月摆脱破产保护。

03

Hexcel进入碳纤维生产及其复合材料起源于一系列收购,1996年2月,Hexcel 收购 Ciba-Geigy 的复合材料业务;6月,Hexcel收购了 Hercule的复合材料业务,获取了关键的航空产品资格和重要的碳纤维生产能力。公司将总部从加利福尼亚州普莱森顿搬迁到康涅狄格州斯坦福。

04

2003年10月,Hexcel 在法国莱萨韦尼埃启动了一个面积为 134,553 平方英尺的新生产单元,完全致力于碳纤维编织以及多轴和预成型操作;2005年欧洲空客推出首架A380飞机,而Hexcel 是 A380 项目的主要供应商;2011年波音交付首架 787 Dreamliner 和首架 747-8,这两种飞机都广泛应用 Hexcel 材料。

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2013年,Hexcel公司再次腾飞,关键结构材料飞往火星:印度空间研究组织发射携带卫星轨道的航天器,它的目标是进入火星轨道,Hexcel公司的HexPly?高模量预浸料,HexWeb?蜂窝芯和Redux? 薄膜胶粘剂用在轻质复合材料结构中。

06

2014年9月,空客 A320neo成功完成首飞,Hexcel的HexPly? 碳纤维预浸料和HexWeb?蜂窝等获得大量应用;同样在9月,Hexcel宣布扩大碳纤维生产能力的计划,在法国鲁西荣增加新的前驱体和碳纤维生产线。

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2017年,Hexcel公司被选为空客H160直升机复合材料的供应商,同年Hexcel推出了两种新产品-HexPly?M77HF环氧预浸料和HexTow?IM5碳纤维。

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2018年,Hexcel位于卡萨布兰卡新制造工厂的盛大开业,与Future Aerospace合作在中国上海开设复合材料测试实验室,同年在法国开设新工厂,以满足对高级复合材料不断增长的需求。

09

2019年,Hexcel完成对ARC Technologies的收购,并与阿科玛在法国LesAvenières开设联合研发实验室,位于上海的FAHCCT实验室正式开放,在产品上,公司Hexcel HexAM?增材制造产品通过商用飞机平台验证。

主要研究领域

最新进展及研究成果

●2020年5月初,Hexcel公司宣布挪威船级社(DNV)、德国劳氏船级社(GL)对其HexPly M79预浸料进行类型批准,重要的第三方验证允许HexPly M79材料可用于所有DNV GL分类的船舶,并为船舶制造商提供产品质量、性能和一致性的额外独立保证。

●2020年4月,美国Hexcel公司的HexPly M79型碳纤维预浸料通过稳定的材料质量和加工参数提供了更一致的最终产品,并可提供具有竞争力的总体成本,因而被德国超轻型飞机专家Flight Design选为低温固化预浸料的主要供应商,并生产了更轻、更坚固的飞机。

Hexcel称,HexPly M79预浸料能够在70?C 条件下经8小时,或80?C 条件下经4小时完成固化,显著降低了成本,提升了生产速率。

●2010年美国Hexcel在全球率先推出拉伸强度6964MPa、拉伸模量310GPa的航空用第三代超高强度中模碳纤维,并成功实现商品化;虽然日本东丽在2014年同样也推出了航空用第三代超高强度中模碳纤维—T1100G碳纤维,但直至近两年才实现商品化,因此在Hexcel在航空用高性能碳纤维领域实现了全球领先。

研究成果

1. PRIMETEX?轻量无筋织物

PrimeTex?是一种碳纤维编织技术,其中纤维在经向和纬向两个方向上分布,以产生均匀的组织和无间隙的排布。与常规织造工艺(取决于碳丝束和FAW)相比,铺展工艺将织物中的闭合系数增加5-8%。用PrimeTex?制成的层压板具有减小的孔隙率,导致更高的机械性能。当在夹层结构中使用时,PrimeTex?薄板具有很高的防水性能。PrimeTex?非常轻的重量(98克/平方米)是迄今为止最轻的3K无间隙织物,允许在复合材料叠层中经济有效地使用非常轻的帘布层。PrimeTex?非常轻的重量也比传统的1K碳纤维织物薄12%,产生更轻的结构,使其成为表面层,夹层结构,结构部件或任何其他需要极轻的复合材料部件的理想选择。

2. HiTape?先进增强体

HiTape?先进增强体适用于赫氏的AUTOCLAVE (OOA)自动加工方式,应用于飞机的主要结构部件。HiTape?结合了自动化处理、输液技术的成本效益和主飞机结构性能的优势。由HexTow?碳纤维制成的HiTape?单向胶带可以在完全自动化的堆叠工艺中制造干燥的预成型件,沉积速率高达50Kg / h,无需去除聚乙烯薄膜。当注入HexFlow?树脂时,由HiTape?制成的部件可以达到30mm厚,纤维体积含量为58%至60%。因此,机械性能与用最新一代一级结构预浸料制成的部件中的机械性能一样高。

3. HexWeb? Acousti-Cap?:用于飞机发动机的降噪蜂窝

HexWeb? Acousti-Cap? 荣获了JEC创新奖,Acousti-Cap?帮助飞机发动机设计师在不增加结构重量的条件下,实现卓越的声学性能,包括在飞机起飞和降落时超好的降噪效果。该成果是目前技术条件下权衡飞机重量和实现降噪突破的一项改进。

图-降噪蜂窝示意图(左为纸蜂窝,右为金属蜂窝)

Acousti-Cap?是将一种可渗透的帽型材料嵌入到蜂窝芯中制成的非金属声学隔膜。赫氏根据客户指定的流动阻尼特性和整体蜂窝芯厚度需求,在每个蜂窝芯单元格中嵌入相应的Cap数量和深度,为客户量身订做满足其声学要求的产品。

美国通用电气公司和罗尔斯罗伊斯公司使用HexWeb ? Acousti-Cap?,减轻了引擎重量,降低高达30%的引擎噪音。GEnx – 2B新型波音747-8在2010年 2月8日进行了首次试飞。

图-引擎应用结构示意图

Acousti-Cap?具有优势,在飞机引擎中使用HexWeb Acousti-Cap,实现了标志性的降噪效果。有如下几个好处:

●降低了机场的着陆费–节省了经常成本

●增加灵活性

●机舱舒适度

●减少其他声学处理,降低了重量和成本

赫氏AcoustiCap?和HexPly?碳纤预浸料与AleniaAermacchi专利工艺相结合,即可得到最先进的降噪部件。”AleniaAermacchi高级设计师如是说。

图-AcoustiCap?和HexPly?碳纤预浸料与AleniaAermacchi专利工艺相结合得到的降噪部件

2010新品-铝质Acousti-Cap?降噪材料,降低宽频噪音,且降低成本。铝质Acousti-Cap?在发动机短舱的生产过程中可承受高达175℃/350℉的温度 ,并且可用连接、切割和机加工等工业标准工艺对其进行加工。

4.HEXPLY? M77预浸料

只需在150°C/300°F温度下固化2分钟,HexPly? M77可为汽车和体育设备制造商带来意想不到的惊喜。尤其需要指出的是,该产品可在23℃条件下保存6个星期。

图-HEXPLY? M77预浸料生产线

120°C/250°F度的玻璃化温度和良好的胶粘性(如和铝粘接时),HexPly? M77特别适合大批量生产。基于玻璃/碳增强材料,赫氏已大规模推出各种类型的HexPly? M77预浸料产品,如织物和单向带等等。

5.HEXPLY? M91预浸料

新一代环氧基树脂,进一步提高扩大了环氧树脂的性能,应用于机身的主要结构和引擎,满足了大型商用飞机制造商的不断增长的需求,使其生产制造出更轻、更快、性能更强的飞机。HexPly? M91具有非常好的韧性,包括较高的残余冲击压缩强度;结合中模量和高强度的HexTow?碳 纤维,其拉伸性能也有所提高;和赫氏新型HexTow? IM10纤维相结合,性能杰出,具有良好的耐湿热性能,可以承受120°C (250°F)的高温。HexPly? M91可制成单向带,而且可以进行自动铺带,适用于自动铺带机和自动铺丝机。良好的粘性和操作寿命使得HexPly? M91可在车间方便灵活的加工。它放热量低,单体结构简单固化后的最高厚度高达70mm (2.76”)。

图-HEXPLY? M91预浸料生产线图

6.HEXTOW? IM10 碳纤维

HexTow? IM10中模量碳纤维成功挑战了业内的性能指标,在保证44.0 Msi拉伸模量的情况下,HexTow? IM10的抗拉强度超过1,000 ksi。因此,HexTow? IM10是赫氏28年来为航空业提供IM纤维产品发展中的一项巨大的突破。HexTow? IM10是目前市场上抗拉强度最高的产品,能满足新一代航空项目和产品的需求。

7.HEXFORCE? +/- 45度织物

赫氏为一种新开发的工艺申请了专利,该工艺可生产连续卷状的碳纤维织物,且经纱和纬纱呈+/- 45度。这类HexForce?+/- 45度织物成本低、重量轻,更值得称道的是它减少了预浸料的浪费和减少了劳动作业时间。

织物宽幅可以指定,从而避免了因常规编织而造成的宽度裁减和+/-45°裁减,使得预浸料的浪费大大降低。传统的做法是将标准织物裁减成斜纹,例如生产引擎机舱时,会浪费高达60%的织物。

HexForce?+/- 45度织物生产过程自动化有效地节省了工时。可将织物可以直接放入层布粘合机,进行样板制作,大大简化了铺叠的过程。

斜纹纤维织物经纱和纬纱卷曲度相同,在每层中的性能都均衡一致,增加了设计允许的应力,使得设计更加便利。连续编织使织物薄厚一致,无需拼接,从而简化了加工过程。而且整个层压板厚度一致,还将孔隙度的风险降低到了最低。

HexForce?+/- 45度织物是制造纵横比高的斜纹增强材料部件的理想材料,如飞机翼类、纵向加强条、主梁、直升机浆叶。该种织物使用HS和IM碳纤维制造,适用于预浸料和RTM生产过程。

由于碳纤维产业的高技术含量和高利润回 ,国外企业长期对我国实施严格的技术封锁,导致我国碳纤维产业与国际先进水平呈现出代隙性差距。目前国外推出了M40X,可以设想不远的将来或许会有M50X、M55X等产品出现,国内如何跟上节奏,又或者能否率先突破M50X、M55X关键技术?可见,对于我国碳纤维企业而言,持续不断的技术创新形成核心竞争力始终是最重要的,需要进一步加大在高性能碳纤维领域技术的原始创新!

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