在航空工業追求效率與可持續性的浪潮中，減重降耗成為核心目標。復合材料在替代航空發動機重型金屬部件方面成效顯著，而不連續長纖維（DLF）熱塑性復合材料更展現出巨大潛力 —— 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現平均 35% 的減重效果，遠超鋁材表現。然而，要將其應用于渦扇發動機前端易受冰雹沖擊的關鍵部位，必須攻克高速沖擊性能難題，明確復合材料成分、細觀結構及與連續纖維混雜后的性能影響，最終建立一套兼顧抗沖擊性的設計方法與解決方案。

DLF 材料的航空應用基礎與挑戰

DLF 熱塑性復合材料（TPC）憑借航空級碳纖維 / PEEK 單向預浸帶為原料，經切割成薄片后模壓成型，已在復雜形狀航空部件中成功替代金屬多年。該材料具備優異的耐化學性、剛度、高溫穩定性和玻璃化轉變溫度以上的抗蠕變性，還能通過一體化成型實現設計自由度提升，將多個零件整合為單一結構。格林 - Tweed 公司已完成其準靜態力學性能表征，積累了高溫強度、疲勞和蠕變等關鍵數據，支撐起基于分析的設計方法。

發動機前端的風扇平臺是 DLF 材料的重要目標應用部件，相比金屬材質每臺發動機可減重超 8 磅。這類部件幾何形狀復雜，傳統連續纖維材料（如單向帶、編織物）需通過復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、可重復的近凈成型工藝快速制造復雜部件，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 種商用飛機上累計裝機近 50 萬個零件（包括結構支架、外殼、蓋板等），但其在發動機前端的應用仍面臨冰雹高速沖擊的嚴峻挑戰。此前，DLF 原型風扇平臺雖能滿足最大超速強度和動態性能等常規要求，但在高速冰雹沖擊測試中，試樣表現未達預期，成為制約其拓展應用的關鍵瓶頸。

板材沖擊測試：揭示損傷機制與優化方向

為系統表征 Xycomp DLF 材料的沖擊性能，格林 - Tweed 采用 “積木式金字塔” 研究方法，先進行板材試樣測試，再推進至成型演示件驗證。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射，配合每秒 10000 幀的高速相機記錄損傷過程。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，重點研究不同材料組合的抗沖擊表現。

6×12×0.15 英寸厚度板材沖擊測試結果：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，準靜態性能一致的兩種 AS4/PEEK 材料（用于對比預浸帶結構影響），S2 玻璃纖維增強 PEEK 材料，以及采用新型 “2.0” 薄片形狀的碳纖維 / PEEK 材料（該形狀此前已在準靜態和疲勞測試中使拉伸強度提升 50% 以上）。此外，測試還包含準各向同性連續纖維層合板、交叉鋪層織物，以及 “正面（沖擊面）連續纖維 + 背面 DLF” 的混雜結構，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）和航空發動機演示平臺（下）。

測試結果揭示了 DLF 板材的核心損傷機制：高速沖擊下，板材背面會從沖擊點引發拉伸裂紋并向頂部擴展。這是因為 DLF 材料在拉伸載荷下的強度顯著低于其他載荷形式，高速沖擊會在沖擊區域下方產生局部彎曲應力，當應力超過拉伸強度時即發生失效。高速相機從背面拍攝的畫面顯示，沖擊側材料出現局部 “撕裂”，而正面無可見損傷，這一現象經計算機斷層掃描（CT）驗證確認。

在性能影響因素方面，測試得出多項關鍵結論：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；沖擊面采用連續纖維的混雜結構對性能無提升，進一步印證了拉伸失效的核心機制；而將碳纖維替換為 S2 玻璃纖維、采用結晶度更低的聚合物基體，或在試樣拉伸側（背面）采用連續纖維增強（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” 薄片形狀的應用。這種專利設計通過優化薄片幾何形狀，減少纖維薄片端部的應力集中，大幅提升材料表觀韌性。在未改變其他參數的情況下，DLF 2.0 試樣的抗冰雹沖擊性能超過了連續纖維層合板，包括由相同基材制成的準各向同性層合板。研究團隊認為，DLF 部件的高速沖擊性能并非由單一成分參數主導，而是取決于復合材料的表觀韌性 —— 這一指標由成分組合、界面結合狀態及預浸帶細觀結構共同決定，而薄片幾何形狀對細觀結構的優化，正是性能躍升的關鍵。

渲染圖顯示了在演示平臺上測試的五個影響位置，最關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結果，其中“MM”（x軸上最右邊）表示成型參數的變化，以更好地利用DLF 2.0新型片狀材料。

風扇平臺演示件測試：驗證實際應用可行性

基于板材測試的關鍵發現，格林 - Tweed 設計并制造了一款風扇平臺演示件，其結構與 25000-35000 磅推力級發動機的實際零件高度接近。設計核心是通過幾何結構優化控制沖擊撓度：在部件內部設置中心肋條，沿側邊布置加強角撐，縮小氣動表面沖擊區域的無支撐范圍，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域最大，被確定為最危險位置。團隊針對該位置測試了板材研究中篩選出的關鍵混雜材料，結果表明，即使采用標準 DLF 材料，也能通過優化設計達到冰雹沖擊 resistance 目標。雖然 DLF 2.0 材料的性能更優，但標準 DLF 材料的達標意味著無需重新認證新材料，極大降低了應用門檻。同時，板材研究中提煉的設計準則，為演示件抗沖擊性能的提升提供了關鍵支撐，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 掃描結果與板材測試一致：局部彎曲引發的拉伸失效模式下，未出現表面可見損傷的部件內部無任何損傷。這是因為此類載荷下的最大應變集中在部件外表面，使得關鍵損傷區域易于觀察和檢測。最終，采用已裝機認證的 AS4/PEEK 碳纖維材料（Xycomp 5175）制造的 DLF 風扇平臺演示件，成功通過了高速冰雹沖擊測試，驗證了其商業應用可行性。

Greene Tweed的航空發動機風扇平臺演示由Xycomp不連續長纖維（DLF）熱塑性復合材料制成。

技術突破賦能復合材料應用升級

通過本次針對 DLF 材料高速沖擊性能的專項研發，格林 - Tweed 在現有生產基礎上拓展了多項核心能力，包括混雜材料組合設計、幾何結構優化、無損檢測 / 微 CT 應用以及 DLF 2.0 材料的持續迭代，推動不連續熱塑性復合材料向更苛刻的航空應用場景進軍。

此次研究的成功，不僅驗證了 DLF 材料在航空發動機前端風扇平臺等關鍵部位的應用潛力，更鞏固了其相比機加工鋁材在減重、性能和成本方面的綜合優勢。隨著技術的持續完善，不連續熱塑性復合材料有望在航空工業中實現更廣泛的應用，為航空裝備的效率提升和可持續發展注入新的動力。