【专业讲堂】详解航空航天用热塑性复合材料特点及近期国外进展
热塑性复合材料
热塑性塑料是复合材料中热固性聚合物的替代品，有望提高生产率。与掺入热固性聚合物的复合材料不同，热塑性复合材料在固结后不需要固化步骤，其中通过对多个预浸料坯层施加热量和压力以形成固体层压板来形成复合材料。与热固性复合材料不同，热固性复合材料需要固化时间才能在分子结构中形成聚合物交联，因此热塑性复合材料只需要加热到超过热塑性基质的熔点，固结并冷却即可。
热塑性复合材料通常以带卷形式包装，该带卷由单向排列的碳纤维组成，碳纤维预浸渍了热塑性树脂。热塑性复合材料也可以编织带或增强的热塑性层压材料形式提供。
用作航空航天应用热塑性复合材料树脂基体的性能
航空航天应用的热塑性复合材料使用高性能的热塑性树脂，包括聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮、聚芳基醚酮、聚醚酰亚胺和聚苯硫醚。航空航天热塑性复合材料的碳纤维百分比通常约为50-60％（体积）。调整碳纤维与热塑性树脂的比例以实现所需的机械性能以及与制造工艺的兼容性。为了使机械性能最大化，需要较高的纤维/树脂比率，但可能更适合于具有较长循环时间和较高压力的制造过程。较低的纤维与树脂比例可适应更快的工艺周期和较低的压力。
制造过程
在典型的热塑性复合材料制造过程中，将热塑性胶带铺放，加热并通过加工机成型为最终的热塑性复合材料组件。胶带铺设通常由自动胶带铺设（ATL）机器执行，该机器将热塑性胶带机械地放在平面或异型模具上，以形成多层层压板。ATL机器对胶带的放置受到计算机的精确控制，以创建具有特定交替碳纤维方向（例如0°/ 90°/ + 45°/ -45°/ 90°/ 0°）的层。碳纤维的方向与应用预期的主要载荷的方向相匹配，从而使最终复合材料具有出色的机械强度，然后在加热和加压下形成层压板，以通过冲压成型将材料固结到最终零件中，
Tri-Mack的热塑性复合材料制造工艺始于Tri-Mack的Fiberforge Relay 1000，它可以自动完成热塑性胶带的铺放，然后将定制的层压板在烘箱中加热，然后将其穿梭至500吨压力机中，以在模具中热成型为复杂的形状
原位、高压釜外制造工艺有潜力提供最快的生产率。在一个示例中，一台ATL机器放置预制的热塑性复合材料带，用激光加热基材和带，并用辊子施加压力以形成和固结复合材料，所有这些步骤均在烘箱外进行。
激光辅助ATL机通过一步一步加热带子，然后加热带子来完成热塑性复合材料的原位固结
热塑性复合材料零件可以通过多种组装技术，包括与粘合剂的粘合、共固结和机械紧固，一起与其他材料结合在一起。热塑性复合材料也可以通过电感、电阻或超声波焊接等工艺焊接在一起。
热塑性复合材料优点
热塑性复合材料相对于热固性复合材料的最大好处可能是更快的生产周期，但是热塑性复合材料还具有其他优势。这些特性包括高韧性、低燃烧、低着火性、低烟气和低毒性等，在湿热条件下机械性能的降低程度较小，在室温下储存的寿命不受限制，并且具有充分的可回收性。
热塑性复合材料组件也可以通过熔接或焊接来连接。固化的热固性复合材料零件无法焊接，必须通过需要应力集中孔的机械紧固件或粘合剂来连接，这给无损检测（NDT）带来了挑战。但是，一项新技术通过将热塑性塑料的表面层作为热固性复合材料的顶层结合到一起，从而允许热固性复合材料零件焊接，该热塑性塑料的表面层可以被焊接到相似的表面。
与热固性复合材料相比，热塑性复合材料的缺点包括更高的加工温度，由于更高的粘度和更高的原材料成本而带来的处理挑战。
热塑性和热固性复合材料比金属具有许多共同的优势，包括更高的刚度和强度重量比，出色的抗疲劳性以及根据应用量身定制设计的能力。它们还具有出色的耐腐蚀性，并能与水分和化学物质（包括溶剂，燃料和液压油）接触。
当飞机制造商寻求加速生产以填补订单积压的方法时，热塑性复合材料代表了一种有前途的材料技术，具有改善周期时间的潜力。许多公司正在探索热塑性材料的广泛应用，因此他们正在投资热塑性复合材料制造工艺，以使其技术成熟，降低工艺成本并提高生产率。
2018年3月，全球最大的碳纤维制造商东丽工业株式会社以9.3亿欧元的价格收购了TenCate Advanced Composites。此举似乎是为了增强东丽的TPC能力，为下一波商用飞机的发展做准备。该消息宣布后不久，美国Hexcel和阿科玛公司宣布，将Hexcel在碳纤维制造方面的技术与阿科玛的聚醚酮酮（PEKK）树脂相结合，建立战略联盟，以开发用于航空航天的热塑性复合材料。
2018年4月，位于德国奥格斯堡的Premium Aerotec GmbH推出了空中客车A320压力舱壁的演示器，该飞机是在热塑性基体中使用碳纤维开发和制造的。该演示器由八个焊接段组成，证明了热塑性塑料的可焊接性及其如何具有使飞机部件更大的潜力。
2018年8月，Solvay、Premium Aerotec和佛吉亚清洁交通成立了IRG CosiMo 联盟，该联盟致力于材料的开发，旨在实现用于航空航天和汽车市场的热塑性复合材料大批量生产的加工技术。
自2017年6月以来，Solvay一直与GKN Fokker合作，通过采用TPC以实现大型航空航天结构改进。该公司于2017年9月启动了PEKK聚合物生产，然后在2018年将其合格的UD热塑性胶带产能增加了一倍。2019年，Solvay在美国乔治亚州阿尔法利塔市成立了一个专门的TPC研究实验室，旨在开发下一代材料。
日本帝人Teijin Ltd.于2019年1月宣布，其TENAX碳纤维和碳纤维/热塑性单向预浸胶带（TENAX TPUD）已获得波音的认证，可作为复合材料的高级中间体用于主要结构部件。
2020年3月，日本金泽工业大学与从事工业废弃物处理和回收的三荣兴业公司合作，开发出了比以往的碳纤维复合材料强度更高，而且抗静电性能优异的新型热塑性碳纤维复合材料。研究团队开发了一种”增容剂“，不仅抑制了传统相容剂导致碳纤维复合材料导电性的降低的问题，而且即使碳纤维的纤维长度短，在保持刚性的同时，也能够提高注射成形和挤出成形等成形性。
日本研发的新型热塑性复合材料