熱塑性樹脂聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)具有高耐熱性、耐環境特性、優異的抗沖擊、抗疲勞、耐蠕變、耐腐蝕、耐輻照、阻燃、電絕緣性好等特點，特別是PEEK長期使用溫度高、耐介質性能優異，是目前能在航空主要承力結構中應用的熱塑性樹脂基體。PEEK、PEI和PPS在國內外 已經實現批量穩定生產。下表所示為聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亞胺(PEI) 、聚苯硫醚(PPS)的熱性能、力學性能和物理性能等。

熱塑性復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浸料，織物內包含熱塑性樹脂。

這些材料主要用于非常大的連續結構，例如尾部升降機、襟翼和前緣等。如東麗先進復合材料公司（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，長度從12英尺到4英尺不等。RTL層壓板經過高溫和高壓熱成型程序以獲得高粘度熱塑性樹脂的強纖維束浸漬。在陶瓷加熱器下加熱數分鐘可實現層壓板快速加熱，然后移至熱成型壓力機中，在不到五分鐘的時間內即可生產出復雜的零件。

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）到6至12英寸度。這種材料形式的優點是能夠使用纖維鋪放設備和自動鋪帶以獲得最佳效率。通過連續壓縮成型、膠帶鋪設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化解決方案。

2. 熱塑性復合材料制造技術

先進熱塑性復合材料研究開始于在上世紀70年代，主要采用熱壓成型技術制備。由于熱塑性樹脂熔融粘度大，熔融溫度高，使先進熱塑性復合材料及其構件成型質量差，成本高，難以成型大型復雜構件等，妨礙了先進熱塑性復合材料的發展和應用。隨著復合材料大功率激光加熱自動鋪放裝備的發展，給先進熱塑性復合材料快速高效低成本制造帶來了新的發展機遇，先進熱塑性復合材料預浸料、自動鋪放原位固結成型和焊接技術成為當前發展熱點。

自動鋪放原位固結成型的熱塑性復合材料，其內部質量和熱塑性預浸料的質量有密切關系。熱塑性預浸料中存在的缺陷會影響熱塑性復合材料的內部質量。熱塑性預浸料制造方法有很多。但作為連續纖維增強先進熱塑性復合材料用預浸料，主要制造方法有熔融浸漬、料漿浸漬和流化態浸漬法。

熔融浸漬的原理為將連續纖維從紗架引出經多級輥輪后進入分絲系統，多級輥輪的作用是調節纖維所受的張力并使纖維分展開，然后在纖維預熱后進入熔融浸漬模具系統中，在熔融浸漬模具中熱塑性樹脂在高溫下熔化并浸潤纖維，冷卻收卷得到預浸料。熱塑性預浸帶熔融浸漬法制備過程如圖所示。

熱塑性預浸帶熔融浸漬法的優點是設備簡單、環境污染少、制備周期短、可連續生產等，其關鍵在于如何實現纖維束的均勻分散和浸漬。熔融浸漬要求樹脂具有較低熔融溫度和較高表面張力，以保證在較低溫度下實現充分浸漬。熔融浸漬法制備的預浸帶質量受纖維分散程度和樹脂熔融黏度的影響很大。如果樹脂熔融黏度大、纖維展開不充分會導致浸漬效果差，纖維束內孔隙率高。英國ICI公司通過長期努力，在PEEK熔融溫度降低、浸漬模具結構優化、纖維展開等關鍵技術方面取得突破，成功制備了樹脂含量均勻、柔韌性好的高質量CF/PEEK預浸帶。除ICI公司外，目前TenCate, Polystrand, Gurit Suprem等公司的CF/PEEK單向預浸帶或預浸絲束都使用熔融浸漬法制備。

料漿浸漬法的原理為將熱塑性樹脂顆粒懸浮分散于液體介質形成浸漬料漿，纖維經輥輪展開后牽引通過浸漬料漿，在纖維使表面附著熱塑性樹脂顆粒，然后通過浸漬導輥加壓使樹脂顆粒進入到纖維束內，在加熱爐中加熱使附著纖維的熱塑性樹脂顆粒熔融，烘干后得到熱塑性預浸料。流化態浸漬法是利用粉末流化或者靜電吸附原理，將纖維通過充滿樹脂粉末的區域使其充分包裹在纖維束上，然后加熱加壓使熱塑性樹脂粉末熔融浸漬從而得到預浸料。下圖為流化浸漬法制備熱塑性預浸帶流程圖。

流化態浸漬過程纖維束可以充分展開，樹脂粉末顆粒可很容易進入纖維束內部，這樣樹脂熔融后浸漬纖 維要求的流動距離較短，因此流化態浸漬法對熱塑性樹脂的熔體黏度依賴性小，對纖維的浸透性好。目前，德國巴斯夫公司和美國Hexcel公司采用流化態浸漬技術生產玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維增強PEK、PEEK、PESPP、PA6和PEI樹脂等熱塑性預浸料等。

目前采用靜電粉末浸漬法和熔融浸漬法都可實現高質量碳纖維/PEEK預浸帶的制備，并在部分航空結構進行了考核驗證，但尚未在航空主要承載結構得到廣泛。

先進熱塑性復合材料構件制造技術主要涉及熱壓成型和自動鋪放原位固結成型技術。模壓成型和熱壓罐成型是航空熱塑性復合材料構件最主要的熱壓成型方法。熱壓成型適宜制備一些尺寸相對較小的熱塑性復合材料構件，可以實現快速成型；但對于尺寸大，結構復雜的復合材料構件，由于熱塑性樹脂通常熔融溫度高粘度大，所需的成型溫度和壓力大，導致對成型設備要求高，制造成本高等問題。

自動鋪放（AFP）原位固結技術是將復合材料的剪裁、鋪疊、熔融壓實等步驟集于一體，能有效滿足自動化、高效率、高質量、低成本等技術要求，是熱塑性復合材料制造技術的重點發展方向。采用AFP原位固結技術不需要使用熱壓罐等設備，避免了需要使用熱壓罐對制件尺寸的限制，因此采用AFP原位固結技術可以制備飛機整體壁板、大梁、長桁、機身段、進氣道等大型復合材料構件。圖3所示為AFP原位固結成型過程示意圖 。由于高性能熱塑性樹脂一般熔融溫度較高，因此對于高性能熱塑性復合材料構件的AFP原位固結成型設備需要應用高效激光加熱。

近年來國內外開發了激光加熱自動鋪放設備，開展了PEEK熱塑性復合材料自動鋪放原位固結技術研究，取得了一定的進展，但離實際應用尚有一定的差距。

隨著先進熱塑性復合材料在航空領域得到應用，要求復雜加筋結構飛機機身壁板等大型復合材料構件實現整體化制造，采用自動鋪放原位固結技術制造壁板蒙皮，熱壓成型各種加筋結構，然后利用熱塑性復合材料的可焊接特性，焊接得到最終的整體結構復雜加筋結構飛機機身壁板。熱塑性復合材料焊接技術主要有激光、電阻、感應以及超聲波焊接技術。先進熱塑性復合材料激光焊接設備成本較高。電阻焊是先進熱塑性復合材料特有的焊接技術，需要在待焊的兩熱塑性復合材料工件間插入電阻元件，通過對電阻元件施加電流產生熱量熔化熱塑性復合材料樹脂基體，同時加壓后冷卻實現熱塑性復合材料的連接。超聲波焊是非常適 合焊接熱塑性材料的方法，具有高效、清潔、成本低、操作靈活、易于實現自動化等優點。

熱塑性復合材料的超聲焊接技術分為4個階段：首先是在壓力的作用下放置于連接工件之間的能量導向薄膜與連接工件的表面接觸，此時在連接工件接觸表面之間的能量導向薄膜在超聲波作用下產生大量熱量，能量導向薄膜開始熔化并產生流動，從而使得兩個連接工件之間的距離減小；兩個連接工件表面之間距離的減小使能量導向薄膜的熔化速率進一步提高，導致連接工件表面樹脂基體熔化；熔化的能量導向薄膜在需要連接的復合材料工件表面流動并浸潤；最后在壓力作用下，多余的熔化樹脂從界面中被擠出，冷卻后形成熱塑性復合材料整體結構。

（未完待續）

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