发布时间：2024-03-11 浏览人数：人
近年来，以热塑性树脂为基体的纤维增强热塑性复合材料发展迅猛，在世界范围内正掀起一股研究开发此类高性能复合材料的高潮。热塑性复合材料是指以热塑性聚合物（如聚乙（PE）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚酮酮（PEKK）和聚醚醚酮（PEEK）等为基体，以各种连续/不连续纤维（如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等）为增强材料而制成的复合材料。
1热塑性树脂基体和增强材料
2 国外热塑性复合材料工程应用情况
国外航空航天工业已经大量使用热塑性复合材料，从碳纤维 /PEEK 的 F–22 起落架舱门、油箱口盖，到A380碳纤维 /PPS 机翼前缘、翼肋、连接角片、方向舵、起落架桁条以及碳纤维 /PEI 夹层结构、货仓壁板、机身结构、声学结构、航天卫星结构等各领域都在大规模使用。
2.1G650的垂直尾舵热塑性复合材料
在湾流 G650 公务机上的应用对热塑性复合材料应用是一个里程碑，压力隔框肋板使用了碳纤维 /PEI 材料，方向舵和升降舵都使用了碳纤维/ PPS 材料。湾流 G650 尾舵由 Fokker航空公司制造，筋骨与梁均采用 TenCate 公司碳纤维/ PPS 热塑性复合材料压板（RTL）热压成型，连接铰链采用钛合金 3D 打印制造。面板与肋、梁采用 KVE 公司的感应焊接技术焊接为整体结构，焊接过程能够实现自动化，一次性将3组肋与3组梁焊接到蒙皮。复合材料与金属界面的连接采用铆接和螺栓方式，标志着民机主控制面采用热塑性复合材料的时代已经到来。方向舵和升降舵的碳纤维/PPS多肋结构比常规的碳纤维/环氧三明治结构轻10%、便宜20%，利用先进的感应焊接技术替代胶接和铆接是一个重要的成本削减因素。
图 Gulfstream G650的垂直尾舵及其蒙皮和翼盒
图 Fokker公司感应焊接工厂和感应焊接过程
2.2空客飞机A380
研制过程中前所未有的规模以及严格的重量目标，使其大量采用热塑性复合材料。A380 翼前缘采用了PPS热塑性复合材料，每个A380包括16个前缘组件，每个组件3~4m，每个组件包括前缘蒙皮与内部加强筋条。得益于 Stork Fokker 第 2 代电阻焊接技术的发展，通过优化焊接网改善温度分布，更加完善的焊接工具与优化的焊接接头使得焊接剥离强度更高，因此在A380 前缘设计工程中，通过前缘内部加强筋条的优化，最终减少了筋条数量，减轻了 20% 以上的质量。
其中，翼前缘蒙皮采用自动铺放成型技术，而加强筋与肋采用玻璃纤维/PPS 薄膜“半预浸料”层压板（每块板由 5 层预浸料组成）热压成形。通过电阻焊接技术将筋条与蒙皮焊接在一起形成前缘组件，然后组件之间通过机械连接形成整个机翼，前缘组件及电阻焊接过程如下图所示。
图 翼前缘组件及其电阻焊接过程
A380 发动机塔架盖由 Daher 公司使用碳纤维 /PPS层压板热压成形，A380两台发动机共含50个塔架盖面板。Daher–Socata 工厂为新一代空客飞机 A350XWB提供最多的热塑性复合材料构件为机身与加强筋连接的角片。角片形状多种多样，但是一般各方向尺寸均小于 203mm，如下图所示。大部分角片材料为TenCate 提供的层压板预浸料碳纤维 / PPS, 还有部分Daher–Socata 公司生产的碳纤维 / PEEK。所有角片采用加热、转移、冲压成型的完全自动化生产，每架飞机大致需要 8000 个。空客计划每月生产不少于 10 架该型飞机，Daher–Socata 公司为其每月生产 15000 个。
图 角片及安装结构
Daher–Socata 工厂制造的最大的热塑性结构件是A400M军用运输机的驾驶舱地板，尺寸为 3.048m×3.048m，由250个热塑性复合材料零件通过金属紧固件装配而成，目前正在探讨通过焊接来替代紧固件，实现节省重量、降低成本的目标。目前热塑性复合材料最大问题是材料成本问题，该厂已经与 Cytec工业和 TenCate 以及日本的其他供应商合作，商讨降低高性能热塑性复合材料成本，提高应用比例问题。此外，空客 A400M 军用运输机为了保护机身侧面与螺旋桨尖端不受来自螺旋桨撞击的大块冰块造成的损坏，设置了防冰板，其采用玻璃纤维增强 PPS 热塑性复合材料制造而成，具有优异的抗冲击性和非常好的耐化学性（除冰和液压 / 去污液）。
图 A400M驾驶舱地板
图 A400M防冰板
2.3Arches Box TP 热塑性复合材料示范结构
2017 年，STELIA Aerospace 公司在巴黎国际航展上展示了其热塑性复合材料创新项目 Arches Box TP的最新成果，如下图所示。
图 Arches Box TP 热塑性复合材料示范结构
STELIA Aerospace 公司作为航空结构领域的重要参与者，为了能够更好地满足客户需求，在下一代单通道飞机机身上使用热塑性复合材料，STELIA Aerospace公司联合 Porcher Industries、AVIACOMP、CETIM等公司开展了在 CORAC 平台内的 Arches Box TP 项目 （2015~2017 年），两年内投入了数百万欧元，并开发了个通用的热塑性复合材料示范结构，可以在实际的工业环境中对其中涉及的技术进行内部评估。该项目涉及的热塑性树脂包括高性能的 PEEK、PEKK、PPS 等，主要验证技术及其示意图如表 3 所示。
2.4NASA航天器（SMAP）的网状反射器
2015 年美国宇航局发射的全球土壤水分测量航天器（SMAP），如下图所示，大量使用了热塑性复合材料。该航天器的可展开网状反射器由诺斯罗普 · 格鲁曼 公司 Astro Aerospace 采用 TenCate 热塑性复合材料制造而成。该反射器为抛物面形状设计，φ6m，包括一个圆形碳纤维增强塑料（CFRP）桁架，表面附上金属加强网，反射体由具有高刚度和强度的芳纶强化 PEI 拉挤成型制成，通过超声波点焊焊接在其交叉点加强网上，实现了轻量化、高强度、耐疲劳的特性。
图 SMAP航天器与网状反射器
2.5其他领域
目前，除了航空航天领域，热塑性复合材料在汽车行业、石油化工行业等也有使用，尤其是汽车行业，是热塑性复合材料大规模使用的重要领域，目前LFT（Long fifiber reinforced thermoplastics）已在汽车防撞梁、前端模块、仪表盘骨架、车门中间承载板、电瓶箱、座椅骨架板、备胎仓以及车底部护板等结构件和半结构件中得到广泛应用。如下图所示，捷豹 X760 发动机油盘、BMW 汽车车门与前引擎盖均使用热塑性复合材料。此外，澳大利亚一家碳纤维技术公司在 2012 年美国拉斯维加斯举行的国际汽车零配件展览会（SEMA）上推出的世界上第 1 个整体式碳纤维轮毂，这种 CR–9碳纤维轮毂每个仅重 6.81~8.17kg，其质量比合金轮毂轻 40%~50%。Smart 公司的全塑复合材料车轮采用长纤维增强聚酰胺热塑性复合材料，通过注塑成型工艺制备。无论从加工成本还是成型效率来讲，这种热塑性复合材料的注塑成型都更具优势。
图 采用包覆成型捷豹X760发动机油盘
3 结论
热塑性复合材料在国外已经开始成规模使用，以TenCate、Victrex 等为代表的材料提供商，以 Automated Dynamics 为代表的自动化装备提供商，以 KVE、TPRC、FOKKER 等为代表的制造研究单位，以空客、波音等为代表的航空应用企业，已经成体系发展，技术日益完善。目前热塑性复合材料发展面临的主要挑战与研究方向有以下 5 个方面。
近年来，以热塑性树脂为基体的纤维增强热塑性复合材料发展迅猛，广泛应用在航空航天、汽车制造、建筑和电子产品等领域。加强热塑性复合材料先进基础工艺与产业技术基础标准建设，夯实热塑性复合材料产业标准基础，以先进标准助推产业补链、延链、升链、建链，切实提升产业链韧性和安全水平，成为热塑性复合材料产业高质量发展的“金钥匙”。
为进一步推动标准的贯彻落实，发挥标准在产业升级、行业管理、市场准入和质量监管中的重要作用，中国硅酸盐学会玻璃纤维分会兹定于2024年3月25-26日在深圳·福朋喜来登酒店召开“高性能纤维及制品标准宣贯会暨热塑性复合材料产业发展研讨会”，就纤维复合材料相关标准、热塑性复合材料的发展方向、研究进展、技术工艺、检测认证和产业面临的问题等方面进行研讨交流。
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