用于飛機電池應用的智能復合材料外殼被開發

利用熱塑性復合材料加工和柔性印刷電子產品的最新發展，IPC及其合作伙伴開發了一種適用于飛機應用的輕質智能電池外殼。通過優化的材料選擇、零件設計和傳感器嵌入，復合外殼符合行業的功能和安全要求，包括抵抗電池熱失控。這篇文章發表在JEC復合材料雜志N 149上。

為了在飛機中提供電力，有必要在下一代飛機中集成更高的能量存儲容量，并且這種趨勢適用于所有的飛機部分。有望克服這一挑戰的電池技術目前使用鋰離子電池，因為它們的功率密度更高。然而，由于需要添加金屬外殼來容納眾所周知的鋰離子技術相關的令人擔憂的事件:熱失控，電池的重量大大增加。為了克服這一缺點，開發了一種能夠抵抗電池熱失控的輕質復合材料包裝，將傳感器集成在外殼結構內，以檢測潛在的熱失控，并提供關于這種可能的飛行中臨界情況的信息。本文介紹的開發是在的框架下進行的綠洲H2020項目(用于擴大創新智能輕質復合材料和組件規模的開放式單一入口點)。該項目的目標是開發納米多功能輕質復合材料的市場潛力，特別是聚合物基復合材料和鋁復合材料。作為該項目的一部分，泰雷茲正在領導一個特定的展示，以開發一種配備傳感器的創新復合電池外殼。這項工作是以前專門研究復合材料套管的延續，應該使用OASIS項目中提出的納米技術產品線對其進行改進。

一種高性能復合套管

這種新型復合套管有望表現出以下特性:

• 與參考鋁外殼相比，電池系統的重量能量密度(儲存的能量與電池重量之比)高出10-20%。

• 抵抗電池系統中一個電池的熱失控，降低火災蔓延風險。

• 通過早期檢測降低熱失控風險。

圖1:組裝好的智能復合材料外殼

泰雷茲的陳列柜受到幾個直接影響復合材料外殼材料選擇的限制。由于飛機所處的環境，外殼對火和化學物質應盡可能不敏感(DO-160標準)。還要求在U > 1300 V時絕緣，并且不受氣體、液體、蒸汽和火焰的影響。該材料應能在-20°C至85°C的溫度下長時間暴露10年。

用于飛機應用的鋰電池必須符合DO-311標準，并且強度要求之一是證明能夠抑制熱失控效應。當電池單元熱失控時，由于通過排氣孔排出的氣體有限，外殼中的壓力會急劇增加。此外，火焰、煙霧和電解槽電解質蒸汽會迅速產生。最后，外殼內的空氣溫度在非常短的時間內上升到1300°C(對于這種電池格式，不到一秒鐘)。因此，外殼必須耐高溫并限制火焰傳播。

智能熱塑性復合材料外殼概念

為了滿足這些苛刻的規格，開發了一種帶有嵌入式傳感器的全熱塑性外殼，提供輕質和監控功能。外殼由兩部分組成:通過短纖維增強的技術熱塑性聚合物的注射成型生產的圓柱形主體，以及使用沖壓/包覆成型工藝由熱塑性復合預浸料和包覆成型聚合物生產的混合蓋。

這個過程通常分為三個步驟:首先，將熱塑性復合材料預浸料加熱到其熔化溫度以上；然后，將預浸料坯在模具中沖壓成目標形狀；最后，沖壓的預浸料坯在特定區域被包覆成型以給部件帶來額外的功能。

為智能外殼開發的工藝使得在包覆成型步驟中集成印刷傳感器成為可能。這樣，溫度傳感器完全集成在復合部件中，從而簡化了安裝，降低了布線要求，允許更可靠的溫度測量，并提高了電池的安全性。

材料選擇和驗證

在工藝方面，一些聚合物基質需要較高的加工溫度(370至400°C ),這使得集成傳感器非常困難。必須考慮所有之前定義的規范，以確保套管能夠抵抗熱失控，從而降低火災蔓延的風險。為了滿足這些要求，我們對各種熱塑性塑料基體進行了比較，以選擇最適合該展示臺的材料。表1總結了這些熱塑性基體的特性，這些特性與用于設計外殼的材料規格有關。

表1總結了這些熱塑性基體的特性，這些特性與用于設計外殼的材料規格有關。

除了表1中報告的特性之外，還進行了熱模擬工業程序控制（ industrial process control的縮寫）表示在熱失控的情況下，外殼材料保持在115°C以下。模擬還揭示了當材料達到40℃的溫度時出現壓力峰值?；谶@些結果，為復合預浸料和包覆成型基體選擇了PPS(聚苯硫醚)基體。使用相同的聚合物確保了復合材料和包覆成型材料之間的最佳相容性。為了優化外殼的機械性能，同時限制其重量，選擇了PPS/碳預浸料。為了滿足所需的介電性能，在PPS/C預浸料的兩側添加PPS/玻璃層。

通過拉伸、壓縮、面內剪切應力和層間剪切強度(ILSS)測試來測量材料樣品的機械性能。測試證實所選材料符合初始規格，實驗結果隨后用于模擬。通過DSC(差示掃描量熱法)和TGA(熱重分析法)分析材料的物理化學性質，以驗證工藝窗口。在代表性試樣上進行燃燒試驗，以確認有限的火蔓延。還評估了介電性能，以滿足NF EN 60243標準的電絕緣規范。最后，進行掃描電子顯微鏡(SEM)分析以檢查材料的微觀結構(空隙、分層等)。).在圖2的SEM照片上，纖維取向清晰可見。在預浸料坯上沒有發現孔隙。碳纖維(圖片中間)和玻璃纖維(頂部和底部)可以清楚地識別出來。所有這些分析使得根據電池外殼的規格驗證所選材料成為可能。因此，用于智能罩的復合預浸料由六層PPS/碳組成，以獲得機械性能，在PPS/碳疊層的每一側有一層PPS/玻璃，以獲得介電電阻。包覆成型基體也是用65%的短玻璃纖維增強的PPS樹脂。

圖2:聚苯硫醚/碳+聚苯硫醚/克的掃描電鏡分析機械模擬和設計優化

基于最初的設計，尺寸和形狀適應復合材料和工業程序控制（ industrial process control的縮寫）HCIM(水平復合注射成型)工藝。選擇預浸復合材料以提供所需的機械性能。包覆成型使得集成附加功能成為可能，例如傳感器、局部加固和裝配特征。

圖3:ptistruct上的拓撲模擬

使用計算機輔助工程(CAE)在靜態模式下進行機械和拓撲模擬(圖3 );Altair Optistruct和Abaqus軟件)產生了在覆蓋物上具有幾個肋和在預浸復合材料上具有曲線的設計，以提高機械性能。外殼模擬最大變形量在蓋子中間為1.62 mm，符合要求。使用這種優化的套管設計，模擬顯示復合結構中沒有裂縫或斷裂，并顯示出對內部壓力目標的抵抗力。

傳感器開發

薄溫度傳感器是由CEA-Grenoble的ARES(activités de recherche sur l 'éelectro nique structure LLE–結構電子研究活動，以前為PICTIC)平臺開發的，使用特定的工藝流程來承受……