? ? ? ?近年來，以熱塑性樹脂為基體的纖維增強熱塑性復(fù)合材料發(fā)展迅猛，在世界范圍內(nèi)正掀起一股研究開發(fā)此類高性能復(fù)合材料的高潮。熱塑性復(fù)合材料是指以熱塑性聚合物（如聚乙（PE）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚酮酮（PEKK）和聚醚醚酮（PEEK）等為基體，以各種連續(xù)/不連續(xù)纖維（如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等）為增強材料而制成的復(fù)合材料。

1 熱塑性樹脂基體和增強材料

1.1

熱塑性基體

? ? ? ?熱塑性樹脂根據(jù)力學(xué)性能和耐溫等級的不同可按照圖1進行分類。目前應(yīng)用到航空領(lǐng)域的熱塑性樹脂主要是耐高溫、高性能的樹脂基體，包括PEEK、PPS 和 PEI。其中，無定形的PEI 由于具有更低的加工溫度及加工成本，比半結(jié)晶的 PPS 及高成型溫度的PEEK在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用更多。常用熱塑性基體的主要性能參數(shù)如表1所示。與熱固性樹脂相比，熱塑性樹脂具有更好的力學(xué)性能和化學(xué)耐腐蝕性、更高的使用溫度、高比強度和硬度、優(yōu)異的斷裂韌性和損傷容限、優(yōu)良的耐疲勞性能、能夠模塑成型復(fù)雜幾何形狀和結(jié)構(gòu)、可調(diào)的導(dǎo)熱性、可回收性、在惡劣環(huán)境的穩(wěn)定性好、可重復(fù)成型、可焊接和修補等特點。由熱塑性樹脂與增強材料組成的復(fù)合材料具有耐久性、高韌性、高抗沖擊和損傷容限；纖維預(yù)浸料不必再低溫存放，無限預(yù)浸料存儲期；成型周期短、可焊接、生產(chǎn)效率高、易修復(fù)；廢品可回收再利用；產(chǎn)品設(shè)計自由度大，可制成復(fù)雜形狀、成型適應(yīng)性廣等眾多優(yōu)點。

1.2

增強材料

? ? ? ?熱塑性復(fù)合材料性能不僅取決于樹脂、增強纖維的性能，還與纖維的增強方式密切相關(guān)，熱塑性復(fù)合材料的纖維增強方式有短纖維增強、長纖維增強和連續(xù)纖維增強3種基本形式，如圖2所示。

? 1.2.1? 短纖維增強

? ? ? 一般來說，短纖維增強纖維的長度為 0.2~0.6mm，由于大多數(shù)纖維的直徑小于70μm，所以短纖維看起來更像是粉末。短纖維增強熱塑性塑料一般將纖維混合到熔融熱塑性塑料中制造?；|(zhì)中的纖維長度和隨機取向使得實現(xiàn)良好的潤濕相對容易，與長纖維和連續(xù)纖維增強材料相比，短纖維復(fù)合材料最容易制造，但機械性能改善最小。短纖維復(fù)合材料傾向于通過模塑或擠出方法形成最終部件，因為短纖維對流動性影響較小。

? 1.2.2 長纖維增強

? ? ? ?長纖維增強復(fù)合材料的纖維長度一般約 20mm，通常采用連續(xù)纖維浸潤樹脂后切割成一定的長度后制備。一般使用的工藝是拉擠成型工藝，即通過特殊的成型模具拉伸纖維和熱塑性樹脂混合的連續(xù)粗紗產(chǎn)生。過程中模具加熱和加壓熔化樹脂材料，并使其在纖維周圍流動，確保適當?shù)臐櫇瘢瓿珊髮⒊浞只旌系睦w維冷卻，然后切割成所需的長度。為了制成最終部件，長纖維增強復(fù)合材料短切料通常用于壓塑或擠壓成型工藝，將短切料放入模具中，模具被加熱和加壓。因為較長的纖維抑制流動使其難以填充模具的所有部分，因此制造工藝相對困難，然而相比短纖維增強，對機械性能的提升更加明顯。目前，長纖維增強 PEEK 熱塑性復(fù)合材料通過 FDM 打印成型的結(jié)構(gòu)性能可達到 200MPa 以上 , 模量能夠達到20GPa以上，通過注塑成型性能會更好。

? 1.2.3 連續(xù)纖維增強

? ? ? ?連續(xù)纖維增強復(fù)合材料中的纖維是“連續(xù)的”，長度從幾米到幾千米不等，連續(xù)纖維復(fù)合材料一般主要提供層壓板、預(yù)浸帶或編織物等，通過用所需的熱塑性基體浸漬連續(xù)纖維形成。其中，連續(xù)纖維復(fù)合預(yù)浸帶厚度為0.127~0.762mm，寬度為 1.6mm 至上百毫米，通常使用較寬的預(yù)浸帶切割成所需寬度用于最終加工。纖維長度對于復(fù)合材料的性能影響很大，基本上是纖維長度越長，越有利于材料性能的提高，纖維長度對復(fù)合材料強度的貢獻可以從兩個方面來理解：

（1）在小于臨界長度情況下，隨著纖維長度的增加，其與樹脂的界面面積增大，復(fù)合材料斷裂時，纖維從樹脂中抽出的阻力增大，從而提高了承受載荷的能力；

（2）在部分纖維長度達到臨界長度情況下，當復(fù)合材料斷裂時伴隨著更多纖維的斷裂，同樣使承受載荷的能力提高。

2 國外熱塑性復(fù)合材料工程應(yīng)用情況

? ? ? ?國外航空航天工業(yè)已經(jīng)大量使用熱塑性復(fù)合材料，從碳纖維 /PEEK 的 F–22 起落架艙門、油箱口蓋，到A380碳纖維 /PPS 機翼前緣、翼肋、連接角片、方向舵、起落架桁條以及碳纖維 /PEI 夾層結(jié)構(gòu)、貨倉壁板、機身結(jié)構(gòu)、聲學(xué)結(jié)構(gòu)、航天衛(wèi)星結(jié)構(gòu)等各領(lǐng)域都在大規(guī)模使用。

2.1

G650的垂直尾舵

? ? ? ? 熱塑性復(fù)合材料在灣流 G650 公務(wù)機上的應(yīng)用對熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用是一個里程碑，壓力隔框肋板使用了碳纖維 /PEI 材料，方向舵和升降舵都使用了碳纖維/ PPS 材料。如圖15所示，灣流 G650 尾舵由 Fokker航空公司制造，筋骨與梁均采用 TenCate 公司碳纖維/ PPS 熱塑性復(fù)合材料壓板（RTL）熱壓成型，連接鉸鏈采用鈦合金 3D 打印制造。面板與肋、梁采用 KVE 公司的感應(yīng)焊接技術(shù)焊接為整體結(jié)構(gòu)，焊接過程能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，如圖16所示，一次性將3組肋與3組梁焊接到蒙皮。復(fù)合材料與金屬界面的連接采用鉚接和螺栓方式，標志著民機主控制面采用熱塑性復(fù)合材料的時代已經(jīng)到來。方向舵和升降舵的碳纖維/PPS多肋結(jié)構(gòu)比常規(guī)的碳纖維/環(huán)氧三明治結(jié)構(gòu)輕10%、便宜20%，利用先進的感應(yīng)焊接技術(shù)替代膠接和鉚接是一個重要的成本削減因素。

2.2

空客飛機

? ? ? ?A380 研制過程中前所未有的規(guī)模以及嚴格的重量目標，使其大量采用熱塑性復(fù)合材料。A380 翼前緣采用了PPS熱塑性復(fù)合材料，每個A380包括16個前緣組件，每個組件3~4m，每個組件包括前緣蒙皮與內(nèi)部加強筋條。得益于 Stork Fokker 第 2 代電阻焊接技術(shù)的發(fā)展，通過優(yōu)化焊接網(wǎng)改善溫度分布，更加完善的焊接工具與優(yōu)化的焊接接頭使得焊接剝離強度更高，因此在A380 前緣設(shè)計工程中，通過前緣內(nèi)部加強筋條的優(yōu)化，最終減少了筋條數(shù)量，減輕了 20% 以上的質(zhì)量。

? ? ? ?其中，翼前緣蒙皮采用自動鋪放成型技術(shù)，而加強筋與肋采用玻璃纖維/PPS 薄膜“半預(yù)浸料”層壓板（每塊板由 5 層預(yù)浸料組成）熱壓成形。通過電阻焊接技術(shù)將筋條與蒙皮焊接在一起形成前緣組件，然后組件之間通過機械連接形成整個機翼，前緣組件及電阻焊接過程如圖17所示。

? ? ? ?A380 發(fā)動機塔架蓋由 Daher 公司使用碳纖維 /PPS層壓板熱壓成形，A380兩臺發(fā)動機共含50個塔架蓋面板。Daher–Socata 工廠為新一代空客飛機 A350XWB提供最多的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件為機身與加強筋連接的角片。角片形狀多種多樣，但是一般各方向尺寸均小于 203mm，如圖 18 所示。大部分角片材料為TenCate 提供的層壓板預(yù)浸料碳纖維 / PPS, 還有部分Daher–Socata 公司生產(chǎn)的碳纖維 / PEEK。所有角片采用加熱、轉(zhuǎn)移、沖壓成型的完全自動化生產(chǎn)，每架飛機大致需要 8000 個。空客計劃每月生產(chǎn)不少于 10 架該型飛機，Daher–Socata 公司為其每月生產(chǎn) 15000 個。

? ? ? ?Daher–Socata 工廠制造的最大的熱塑性結(jié)構(gòu)件是A400M軍用運輸機的駕駛艙地板，尺寸為 3.048m×3.048m，如圖19所示，由250個熱塑性復(fù)合材料零件通過金屬緊固件裝配而成，目前正在探討通過焊接來替代緊固件，實現(xiàn)節(jié)省重量、降低成本的目標。目前熱塑性復(fù)合材料最大問題是材料成本問題，該廠已經(jīng)與 Cytec工業(yè)和 TenCate 以及日本的其他供應(yīng)商合作，商討降低高性能熱塑性復(fù)合材料成本，提高應(yīng)用比例問題。此外，空客 A400M 軍用運輸機為了保護機身側(cè)面與螺旋槳尖端不受來自螺旋槳撞擊的大塊冰塊造成的損壞，設(shè)置了防冰板，其采用玻璃纖維增強 PPS 熱塑性復(fù)合材料制造而成，具有優(yōu)異的抗沖擊性和非常好的耐化學(xué)性（除冰和液壓 / 去污液），如圖20所示。

2.3

Arches Box TP 熱塑性復(fù)合材料示范結(jié)構(gòu)

? ? ? ?2017 年，STELIA Aerospace 公司在巴黎國際航展上展示了其熱塑性復(fù)合材料創(chuàng)新項目 Arches Box TP的最新成果，如圖21所示。

? ? ? ?STELIA Aerospace 公司作為航空結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要參與者，為了能夠更好地滿足客戶需求，在下一代單通道飛機機身上使用熱塑性復(fù)合材料，STELIA Aerospace公司聯(lián)合 Porcher Industries、AVIACOMP、CETIM等公司開展了在 CORAC 平臺內(nèi)的 Arches Box TP 項目 （2015~2017 年），兩年內(nèi)投入了數(shù)百萬歐元，并開發(fā)了個通用的熱塑性復(fù)合材料示范結(jié)構(gòu)，可以在實際的工業(yè)環(huán)境中對其中涉及的技術(shù)進行內(nèi)部評估。該項目涉及的熱塑性樹脂包括高性能的 PEEK、PEKK、PPS 等，主要驗證技術(shù)及其示意圖如表 3 所示。

2.4

NASA航天器（SMAP）的網(wǎng)狀反射器

? ? ? ?2015 年美國宇航局發(fā)射的全球土壤水分測量航天器（SMAP），如圖 22 所示，大量使用了熱塑性復(fù)合材料。該航天器的可展開網(wǎng)狀反射器由諾斯羅普 · 格魯曼 公司 Astro Aerospace 采用 TenCate 熱塑性復(fù)合材料制造而成。該反射器為拋物面形狀設(shè)計，φ6m，包括一個圓形碳纖維增強塑料（CFRP）桁架，表面附上金屬加強網(wǎng)，反射體由具有高剛度和強度的芳綸強化 PEI 拉擠成型制成，通過超聲波點焊焊接在其交叉點加強網(wǎng)上，實現(xiàn)了輕量化、高強度、耐疲勞的特性。

2.5

其他領(lǐng)域

? ? ? ?目前，除了航空航天領(lǐng)域，熱塑性復(fù)合材料在汽車行業(yè)、石油化工行業(yè)等也有使用，尤其是汽車行業(yè)，是熱塑性復(fù)合材料大規(guī)模使用的重要領(lǐng)域，目前LFT（Long fifiber reinforced thermoplastics）已在汽車防撞梁、前端模塊、儀表盤骨架、車門中間承載板、電瓶箱、座椅骨架板、備胎倉以及車底部護板等結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用。如圖 23 和 24 所示，捷豹 X760 發(fā)動機油盤、BMW 汽車車門與前引擎蓋均使用熱塑性復(fù)合材料。此外，澳大利亞一家碳纖維技術(shù)公司在 2012 年美國拉斯維加斯舉行的國際汽車零配件展覽會（SEMA）上推出的世界上第 1 個整體式碳纖維輪轂，這種 CR–9碳纖維輪轂每個僅重 6.81~8.17kg，其質(zhì)量比合金輪轂輕 40%~50%。Smart 公司的全塑復(fù)合材料車輪采用長纖維增強聚酰胺熱塑性復(fù)合材料，通過注塑成型工藝制備。無論從加工成本還是成型效率來講，這種熱塑性復(fù)合材料的注塑成型都更具優(yōu)勢。

3 結(jié)論

? ? ? ?熱塑性復(fù)合材料在國外已經(jīng)開始成規(guī)模使用，以TenCate、Victrex 等為代表的材料提供商，以 Automated Dynamics 為代表的自動化裝備提供商，以 KVE、TPRC、FOKKER 等為代表的制造研究單位，以空客、波音等為代表的航空應(yīng)用企業(yè)，已經(jīng)成體系發(fā)展，技術(shù)日益完善。目前熱塑性復(fù)合材料發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)與研究方向有以下 5 個方面。

（1）提高主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用比例。當前國外熱塑性復(fù)合材料多數(shù)用于次承力結(jié)構(gòu)，主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用相對較少。根據(jù)歐盟啟動的熱塑性經(jīng)濟可承受性航空主結(jié)構(gòu)（TAPAS）項目，將進一步增加熱塑性復(fù)合材料在當前和未來飛機上的應(yīng)用比例，尤其是下一代飛機機身等主承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

（2）降低以 PEEK 為代表的高性能熱塑性復(fù)合材料原材料成本。目前，PEEK 等高性能樹脂熔點溫度高、黏性大、預(yù)浸料制作工藝復(fù)雜是造成原材料成本高的主要原因。主要通過優(yōu)化制造成型工藝和與客戶合作提高產(chǎn)量來降低成本，以及開發(fā)新的質(zhì)優(yōu)價廉的材料（如PAEK）等。

（3）大規(guī)模應(yīng)用的挑戰(zhàn)（如汽車行業(yè)）。如何大規(guī)模生產(chǎn)質(zhì)量可靠無缺陷的產(chǎn)品即生產(chǎn)過程的可靠性、穩(wěn)健性；成熟完善的供應(yīng)鏈系統(tǒng)的建設(shè)；整個生產(chǎn)流程的成本控制問題，如車間改造、自動化生產(chǎn)線的建立、原材料貯存等；基于不同熱塑性復(fù)合材料的性能特點的設(shè)計水平提升等。

（4）完善成型工藝。對于自動鋪放原位固化工藝，尤其是高性能熱塑性樹脂復(fù)合材料，主要通過優(yōu)化工藝、改善加熱方法（如 PEEK 基復(fù)合材料鋪放溫度需達到400℃級別）等提高鋪放速度。對于包覆成型，繼續(xù)提高注射成型與沖壓件之間的界面結(jié)合強度等。對于焊接工藝（電阻焊接和感應(yīng)焊接），主要是完善焊接元件及工藝，減小甚至消除因工藝方法產(chǎn)生的界面殘留物，提高焊接性能，并繼續(xù)開發(fā)適宜 PEEK 等高性能產(chǎn)品的焊接單元，完善新的焊接技術(shù)。

（5）加強回收利用技術(shù)發(fā)展。通過熱塑性復(fù)合材料廢品的回收處理，進行二次加工成型，以及經(jīng)濟評估。來源：劉彬?, 安衛(wèi)龍?, 倪楠楠

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