過去的十五年中，飛機(jī)制造商一直使用熱塑性復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，來提高其韌性和耐久性。熱塑性復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍廣泛，從引擎吊架門到前緣再到橫梁和支架。
本文詳細(xì)介紹推動(dòng)熱塑性復(fù)合材料在當(dāng)今航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵因素、常見的熱塑性復(fù)合材料形式，介紹了熱塑性復(fù)合材料優(yōu)缺點(diǎn)，以及常見的加工工藝。
01 驅(qū)動(dòng)因素分析
原始設(shè)備制造商——OEM廠商最近對(duì)熱塑性塑料表現(xiàn)出了越來越大的興趣。雖然選擇熱塑性復(fù)合材料的原因很多，但一些關(guān)鍵要求助長(zhǎng)了這一趨勢(shì)，概述起來主要包括以下三點(diǎn)原因：
其一，由于自動(dòng)化解決方案和極低空隙熱塑性裝置的生產(chǎn)，可以在不使用高壓釜的情況下，生產(chǎn)具有極低空隙含量的熱塑性結(jié)構(gòu)。諸如Automated Dynamics、ACM/Experion、Fiberforge和Cutting Dynamics等零件和設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出獨(dú)特的機(jī)器技術(shù)，來優(yōu)化熱塑性復(fù)合材料零件的制造。
其二，由于熱塑性塑料能夠通過感應(yīng)或電阻焊接方法進(jìn)行熔焊，這為通過消除緊固件來降低重量和成本提供了一種有效的方法，如Fokker Aerostructures通過使用感應(yīng)焊接生產(chǎn)Gulfstream灣流 G650商務(wù)飛機(jī)的尾翼組件，與熱固性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)的成本降低了20%，重量減輕了10%。
其三，復(fù)合材料機(jī)身的改變導(dǎo)致了金屬結(jié)構(gòu)支架的拆除以及相應(yīng)的電偶腐蝕影響。熱塑性復(fù)合材料具有優(yōu)異的阻燃性和結(jié)構(gòu)特性，熱塑性塑料還引入了具有成本效益的技術(shù)（熱成型或壓縮成型）來生產(chǎn)各種金屬支架。
此外，大多數(shù)新的自動(dòng)化解決方案都需要低空隙率熱塑性預(yù)浸料，而低空隙含量的膠帶在高效的制造自動(dòng)化膠帶解決方案中很有用。因此，在這一過程中，具有固有低空隙率和良好浸漬絲束的原始材料更受青睞。
02 高分子技術(shù)
半結(jié)晶態(tài)和無定形（amorphous，非晶態(tài)）是熱塑性聚合物的兩種類型。無定形熱塑性塑料不會(huì)形成晶體結(jié)構(gòu)。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（glass transition temperature，Tg）以下，聚合物分子為固體。聚合物可以在高于Tg的溫度下成型，因?yàn)橛凶銐虻哪芰渴狗肿酉嗷ヒ苿?dòng)。
與半結(jié)晶聚合物相比，非晶態(tài)熱塑性聚合物通常可以在接近其Tg的溫度下進(jìn)行模塑。無定形熱塑性塑料的一個(gè)局限性在于它們對(duì)特定溶劑的抵抗力較差。
半結(jié)晶聚合物具有非晶態(tài)的區(qū)域和聚合物緊密堆積在晶格中的區(qū)域。零件成型過程中采用的冷卻速度和聚合物類型都會(huì)影響單個(gè)零件的結(jié)晶度。
目前，復(fù)合材料中使用的主要熱塑性塑料包括：
聚醚酮酮（Poly‐ether‐ketone‐ketone， PEKK）–半結(jié)晶
聚醚醚酮（Poly‐ether‐ether‐ketone，PEEK）–半結(jié)晶
聚苯硫醚（Poly‐phenylene‐sulfide，PPS）–半結(jié)晶
尼龍（Nylons）–無定形或半結(jié)晶
聚醚酰亞胺（Poly-ether‐imide，PEI）-非晶態(tài)
03 材料形式
熱塑性復(fù)合材料主要有三種材料形式。
第一類是使用普通玻璃纖維或碳纖維編織的織物預(yù)浸料，織物內(nèi)包含熱塑性樹脂。這些材料主要用于非常大的連續(xù)結(jié)構(gòu)，例如尾部升降機(jī)、襟翼和前緣等。如東麗先進(jìn)復(fù)合材料公司（Toray Advanced Composites，TAC）提供的玻璃纖維或碳纖維織物，并選用PEEK、PEI、PA和PPS樹脂為基體。
第二類是增強(qiáng)熱塑性層壓板。這些材料是多層取向的層壓板，分為1至20層，長(zhǎng)度從12英尺到4英尺不等。RTL層壓板經(jīng)過高溫和高壓熱成型程序以獲得高粘度熱塑性樹脂的強(qiáng)纖維束浸漬。在陶瓷加熱器下加熱數(shù)分鐘可實(shí)現(xiàn)層壓板快速加熱，然后移至熱成型壓力機(jī)中，在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)即可生產(chǎn)出復(fù)雜的零件。
第三類是熱塑性膠帶（Thermoplastic unitapes），其寬度通常從1/8英寸的狹縫帶（或短切模塑料等級(jí)）到6至12英寸度。這種材料形式的優(yōu)點(diǎn)是能夠使用纖維鋪放設(shè)備和自動(dòng)鋪帶以獲得最佳效率。通過連續(xù)壓縮成型、膠帶鋪設(shè)或纖維膠帶原位鋪放，這種材料形式可提供更大范圍的自動(dòng)化解決方案。
04 熱塑性復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)
熱塑性復(fù)合材料成熟應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了，熱塑性復(fù)合材料的系列優(yōu)點(diǎn)如下所示：
能夠在短周期時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)零部件的熱成型制造。
具有優(yōu)異的抗損傷性和韌性。
水分吸收率低。
可以在室溫下儲(chǔ)存，這就使得可以不受時(shí)間限制而生產(chǎn)更大的結(jié)構(gòu)。
零件可以重新成型。
阻燃性。
存在零件制造替代方案，這些替代方案可以避免使用高壓釜。
空隙含量極低。
與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料的一些局限性包括如下幾個(gè)方面：
原材料的初始成本往往會(huì)更高。
加工溫度較高。
工裝模具通常具有較高的成本。
傳統(tǒng)的零件制造商可能不熟悉現(xiàn)代的熱塑性復(fù)合材料加工技術(shù)。
05 熱塑性復(fù)合材料典型特性
在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用復(fù)合材料的風(fēng)險(xiǎn)之一是，如果零件內(nèi)部存在小缺陷，復(fù)合材料能夠抵抗裂紋擴(kuò)展，并且能夠吸收能量而不會(huì)在沖擊時(shí)發(fā)生開裂。
與熱固性塑料相比，熱塑性復(fù)合材料通常具有更高的韌性。這是一個(gè)額外的好處，因?yàn)榧词勾嬖趦?nèi)部損壞，復(fù)合材料也通常不會(huì)表現(xiàn)出表面損壞。
高韌性——熱塑性復(fù)合材料已被證明在典型的航空航天測(cè)試中表現(xiàn)出更高的韌性。對(duì)于復(fù)合材料而言，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部裂紋時(shí)，表面可以保持不變。因此，擁有一個(gè)能夠抵抗裂紋擴(kuò)展且不易受到損壞的基體系統(tǒng)是一大好處。
室溫保存——熱塑性預(yù)浸料可以保持在室溫下，而不會(huì)降低性能，因?yàn)闊崴苄詮?fù)合材料無需擔(dān)心化學(xué)反應(yīng)。這消除了對(duì)冷藏運(yùn)輸和冷藏的要求，而冷藏往往會(huì)使熱固性復(fù)合材料的物流變得更加復(fù)雜。由于不用考慮超時(shí)時(shí)間，因此也可以使用更復(fù)雜的零件。
再成型——熱塑性材料可以重新成型加工，因?yàn)闊崴苄詷渲梢远啻卫鋮s和加熱而不會(huì)影響性能。使用后的零件可以分解，并用作壓縮成型或注射成型等替代工藝的原料。
更高的加工溫度——使用熱塑性復(fù)合材料時(shí)，一個(gè)要考慮的問題是要求在明顯高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下加工聚合物。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度通常被視為聚合物的使用溫度。下表總結(jié)了各種熱塑性聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和工藝溫度。
06 常見成型工藝
自動(dòng)化工藝的新發(fā)展正在降低制造熱塑性零件的成本。這些發(fā)展?jié)M足了復(fù)合材料工業(yè)降低復(fù)合材料零件加工成本的需求。由于熱塑性塑料的性質(zhì)，目前有許多此類技術(shù)可用于有效且經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)零件，熱塑性塑料可在加工溫度下迅速形成。
由于不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，因此標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性塑料固化循環(huán)要求材料保持在加工溫度下，直到整個(gè)零件達(dá)到加工溫度為止。一臺(tái)壓力機(jī)可用于將許多熱塑性塑料成型，并具有高效的循環(huán)時(shí)間。不同公司正在生產(chǎn)幾種自動(dòng)化工藝來以優(yōu)化熱塑性零件的質(zhì)量和制造速度。最廣泛且普遍的成型技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：
6.1 自動(dòng)纖維鋪放和膠帶鋪放
不少制造商正在使用縫隙帶和熱塑性復(fù)合材料絲束來生產(chǎn)零件，將膠帶在一定的溫度和壓力下放置在工具或心軸上，在放置過程中使材料固化，這意味著不需要其他處理。
纖維自動(dòng)鋪放
由于該過程中工藝壓力相對(duì)較低，因此至關(guān)重要的是，該過程中使用的單元膠具有非常低的空隙率。
6.2 熱成型
熱塑性復(fù)合材料的熱成型類似于通常用于非增強(qiáng)塑料的熱成型程序。固化的熱塑性層壓板通常使用紅外線加熱器加熱到加工溫度，該加熱器需要幾秒鐘到幾分鐘才能將零件加熱到所需的溫度。將其移至沖壓工位，在此使用陰模和陽模進(jìn)行零件成型。零件成形過程的總持續(xù)時(shí)間通常少于5分鐘。
自動(dòng)化生產(chǎn)裝置
可以使用機(jī)械有效地鋪設(shè)熱塑性塑料帶，其纖維方向在設(shè)計(jì)中規(guī)定。使用局部加熱源將簾布層粘合在一起，隨后的坯料被壓制并熱成型成零件。
6.3 連續(xù)壓縮成型（CCM）
CCM（Continuous Compression Molding）是一種半連續(xù)的自動(dòng)化制造技術(shù)，能夠吸收熱塑性復(fù)合材料并制造幾乎無限制長(zhǎng)度的平板或高度成型的型材。
CCM工藝主要優(yōu)勢(shì)在于具有更高的生產(chǎn)力，更高的質(zhì)量和尺寸一致性，而且能夠節(jié)約能源。
CCM工藝具有更高的質(zhì)量一致性
07 結(jié)束語
目前，在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料領(lǐng)域有多種材料可供選擇，但復(fù)合材料行業(yè)正致力于尋找一種具有成本效益的制造方法，來幫助降低零件的總成本，降低成本其中的一個(gè)關(guān)鍵重點(diǎn)是在不使用高壓釜的情況下制造零件。
用熱塑性聚合物增強(qiáng)的復(fù)合材料為制造工程師和設(shè)計(jì)師提供了一系列不同的工藝，使零件能夠可靠、快速地生產(chǎn)出來。憑借高韌性、室溫存儲(chǔ)、幾乎無限的保質(zhì)期、通過焊接將結(jié)構(gòu)結(jié)合的能力以及現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)等優(yōu)勢(shì)，熱塑性復(fù)合材料將繼續(xù)在越來越多的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。
