1.引言

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能的多個(gè)方面做了研究，以經(jīng)編的方式用PET粘結(jié)紗將增強(qiáng)纖維GF層與樹(shù)脂基體PP層相連結(jié)起來(lái)制成預(yù)制件，用熱壓成型方法制備CFRTP材料。分析了在相同溫度下，保壓時(shí)間及壓力的大小對(duì)纖維浸漬情況的影響，通過(guò)對(duì)纖維浸潤(rùn)情況的觀察，建立了浸潤(rùn)模型。在CFRTP制品的性能及影響因素方面做了研究，用自制的熱塑性纏繞成型設(shè)備制備了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合管材,并進(jìn)行了樹(shù)脂基體的結(jié)晶度測(cè)試,研究結(jié)果表明制備連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚管材有耐水性好:樹(shù)脂基體的結(jié)晶度隨著纖維增加有小幅度提高;復(fù)合材料中的空隙率對(duì)材料的層間剪切強(qiáng)度有較大的影響，空隙大時(shí)，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度降低。

在復(fù)合材料制品的加工過(guò)程中，熔體的流動(dòng)對(duì)纖維的分布產(chǎn)生影響，當(dāng)熔體流動(dòng)時(shí)，與纖維間的作用力，使得纖維的排列隨熔體流向而發(fā)生變化。在基體熔體高速流動(dòng)時(shí)，基體的分子鏈與增強(qiáng)纖維都會(huì)發(fā)生取向，基體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，基體的取向固定時(shí)，整體材料會(huì)有應(yīng)力:增強(qiáng)纖維取向時(shí)，對(duì)材料的力學(xué)性能造成一定的影響。熔體流動(dòng)速率的增加時(shí)，引起增強(qiáng)纖維的取向發(fā)生變化，整體材料的橫向拉伸強(qiáng)度下降。熱塑性復(fù)合材料的流動(dòng)性能會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)纖維發(fā)生不同的取向，從而影響整體材料的力學(xué)性能。在GF/PP復(fù)合材料中，玻璃纖維作為增強(qiáng)材料的作用主要是為了吸收破壞時(shí)的能量，相當(dāng)于一個(gè)承力骨架，使得PP的熱力學(xué)性能較原來(lái)大為提高，整體收縮率降低，也提高了材料的尺寸穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)外對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制備工藝及其機(jī)械性能、熱力學(xué)性能的研究較多，常用注塑工藝成型制備玻璃纖維增強(qiáng)聚丙帰復(fù)合材料，對(duì)用混纖紗法浸潰熱壓工藝的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究不多，尤其是不同結(jié)構(gòu)形式的連續(xù)玻纖增強(qiáng)聚丙帰復(fù)合材料的力學(xué)性能差異及破壞機(jī)理差異的研究較少。

2.熱塑復(fù)合材料的應(yīng)用熱點(diǎn)

1）汽車零配件

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（Longfifiberreinforcedthermoplastics）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(cāng)以及車底部護(hù)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(dòng)機(jī)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(guó)拉斯維加斯舉行的國(guó)際汽車零配件展覽會(huì)（SEMA）上推出的世界上第1個(gè)整體式碳纖維輪轂，這種CR–9碳纖維輪轂每個(gè)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(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚酰胺熱塑性復(fù)合材料，通過(guò)注塑成型工藝制備。無(wú)論從加工成本還是成型效率來(lái)講，這種熱塑性復(fù)合材料的注塑成型都更具優(yōu)勢(shì)。

圖 BMW汽車熱塑性材料前門與車輛前引擎蓋

2）H-160 直升機(jī)熱塑性復(fù)合材料槳轂

H-160 直升機(jī)熱塑性復(fù)合材料槳轂中央件是碳纖維增強(qiáng) PEEK 熱塑性復(fù)合材料在尺寸較小航空結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用，采用碳纖維織物/PEEK 預(yù)浸料模壓工藝制造。H-160 直升機(jī)是空客直升機(jī)公司研發(fā)的一款全復(fù)合材料中型民用直升機(jī)。為提高球柔性旋翼核心關(guān)鍵件槳轂中央件的壽命，空客直升機(jī)公司設(shè)計(jì)研制了碳纖維增強(qiáng) PEEK 復(fù)合材料槳轂中央件。和鈦合金槳轂中央件相比，H-160 直升機(jī)熱塑性復(fù)合材料槳轂中央件不但提高損傷容限和使用壽命，而且降低了制造成本和減輕了質(zhì)量。圖 為 H-160 直升機(jī) T300/PEEK 復(fù)合材料槳轂中央件。

圖 H-160 直升機(jī)T300/PEEK復(fù)合材料槳轂中央件

3）下一代單通道飛機(jī)CF/PEEK 復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)機(jī)身

法國(guó) Stelia 公司采用絲束自動(dòng)鋪放原位固結(jié)/加筋結(jié)構(gòu)電阻焊接技術(shù)制備了 CF/PEEK 復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)機(jī)身驗(yàn)證件，如圖 所示，主要用以下一代單通道飛機(jī)使用先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料可能性的評(píng)估。2018 年歐洲啟動(dòng)了“潔靜天空 2”計(jì)劃，其中包括熱塑性復(fù)合材料多功能機(jī)身演示項(xiàng)目，主要驗(yàn)證 CF/PEEK 熱塑性復(fù)合材料機(jī)身蒙皮自動(dòng)鋪放原位固結(jié)和不同熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)。目前該項(xiàng)目已經(jīng)完成 8mX4m 熱塑性復(fù)合材料下半部機(jī)身結(jié)構(gòu)的制造，后續(xù)將和上半部熱塑性機(jī)身結(jié)構(gòu)連接進(jìn)行考核驗(yàn)證。

圖 CF/PEEK 熱塑性復(fù)合材料全尺寸機(jī)身驗(yàn)證件

3.2024最新技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)

自 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料研究并取得許多突破性進(jìn)展。PPS 熱塑性復(fù)合材料飛機(jī)蒙皮、整流罩、升降舵、平尾等部已在波音、空客、福特等公司成功應(yīng)用。近幾年全球著名的復(fù)合材料研發(fā)廠商更是在 PEEK 熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域不斷布局，蓄勢(shì)待發(fā)。2018 年 3 月，為提升熱塑性復(fù)合材料的研發(fā)能力，為下一代商用飛機(jī)的發(fā)展做準(zhǔn)備，全球最大的碳纖維制造商?hào)|麗工業(yè)株式會(huì)社以 9.3 億歐元的價(jià)格收購(gòu)了 TenCate 先進(jìn)復(fù)合材料業(yè)務(wù)。美國(guó) Hexcel 和阿科瑪公司宣布建立戰(zhàn)略聯(lián)盟，以 Hexcel 在碳纖維方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和阿科瑪在 PEKK 樹(shù)脂方面的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)用于航空航天的 PEKK 熱塑性復(fù)合材料。稍后德國(guó)的 Premium Aerotec GmbH 推出了空客 A320 熱塑性復(fù)合材料后壓力艙壁。2019 年 1 月日本帝人宣布，公司研發(fā)的 TENAX 碳纖維和碳纖維/PEEK 熱塑性單向預(yù)浸膠帶（TENAX TPUD）已獲得波音的認(rèn)證，可用于飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件。隨著熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步，人們開(kāi)始注意到熱塑性復(fù)合材料的作用正變得越來(lái)越重要。飛機(jī)制造商對(duì)熱塑性復(fù)合材料能夠快速制造的優(yōu)勢(shì)非常有興趣，正在加大投入研發(fā)更大、更復(fù)雜的先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。但要實(shí)現(xiàn)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料在航空裝備的大量應(yīng)用，需要進(jìn)一步重點(diǎn)發(fā)展：

1）高性能熱塑性預(yù)浸料高質(zhì)量高效制造技術(shù)

高性能熱塑性預(yù)浸料是先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料的關(guān)鍵中間材料，預(yù)浸料的質(zhì)量和成本在很大程度上決定了熱塑性復(fù)合材料的質(zhì)量和成本。因此要實(shí)現(xiàn)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料高效應(yīng)用，必須首先突破熱塑性樹(shù)脂熔融粘度調(diào)控、預(yù)浸設(shè)備及其預(yù)浸工藝優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高性能熱塑性預(yù)浸料高質(zhì)量制造。

其中近年較為熱門的是熔融浸漬，其原理為將連續(xù)纖維從紗架引出經(jīng)多級(jí)輥輪后進(jìn)入分絲系統(tǒng)，多級(jí)輥輪的作用是調(diào)節(jié)纖維所受 的張力并使纖維分展開(kāi)，然后在纖維預(yù)熱后進(jìn)入熔融浸漬模具系統(tǒng)中，在熔融浸漬模具中熱塑性樹(shù)脂在高溫 下熔化并浸潤(rùn)纖維，冷卻收卷得到預(yù)浸料。

圖 熱塑性預(yù)浸帶熔融浸漬法制備

熱塑性預(yù)浸帶熔融浸漬法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、環(huán)境污染少、制備周期短、可連續(xù)生產(chǎn)等，其關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)纖維束的均勻分散和浸漬。熔融浸漬要求樹(shù)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(shí)現(xiàn)充分浸漬。熔融浸漬法制備的預(yù)浸帶質(zhì)量受纖維分散程度和樹(shù)脂熔融黏度的影響很大。如果樹(shù)脂熔融黏度大、纖維展開(kāi)不充分會(huì)導(dǎo)致浸漬效果差，纖維束內(nèi)孔隙率高。英國(guó) ICI 公司通過(guò)長(zhǎng)期努力，在 PEEK 熔融溫度降低、浸漬模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、纖維展開(kāi)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，成功制備了樹(shù)脂含量均勻、柔韌性好的高質(zhì)量 CF/PEEK 預(yù)浸帶。除 ICI 公司外，目前 TenCate, Polystrand, Gurit Suprem 等公司的 CF/PEEK 單向預(yù)浸帶或預(yù)浸絲束都使用熔融浸漬法制備。

2）先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放原位固結(jié)技術(shù)

高性能熱塑性樹(shù)脂基體熔融溫度高，熔融粘度大，熱壓成型要求高溫高壓，成型設(shè)備投資大，模具成本高，輔助材料價(jià)格貴，導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造缺陷多，制造成本高。要提高先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料制造質(zhì)量和降低制造成本，需要發(fā)展先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸帶分切技術(shù)和大功率激光加熱自動(dòng)鋪放原位固結(jié)設(shè)備，優(yōu)化自動(dòng)鋪放工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)鋪放快速制造。

自動(dòng)鋪放（AFP）原位固結(jié)技術(shù)是將復(fù)合材料的剪裁、鋪疊、熔融壓實(shí)等步驟集于一體，能有效滿足自動(dòng)化、高效率、高質(zhì)量、低成本等技術(shù)要求，是熱塑性復(fù)合材料制造技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。采用 AFP 原位固結(jié)技術(shù)不需要使用熱壓罐等設(shè)備，避免了需要使用熱壓罐對(duì)制件尺寸的限制，因此采用 AFP 原位固結(jié)技術(shù)可以制備飛機(jī)整體壁板、大梁、長(zhǎng)桁、機(jī)身段、進(jìn)氣道等大型復(fù)合材料構(gòu)件。圖 3 所示為 AFP 原位固結(jié)成型過(guò)程示意圖。

圖 高性能熱塑性復(fù)合材料帶鋪放示意圖

3）先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接技術(shù)

先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)具有更好的減重效率，但目前對(duì)于大尺寸形狀復(fù)雜形狀的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件仍然難以實(shí)現(xiàn)一次成型，因此發(fā)展高效連接技術(shù)成為十分迫切。熱塑性復(fù)合材料連接性能對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能具有重要影響，傳統(tǒng)的機(jī)械連接和膠結(jié)連接連接方法并不適用于先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料，需要發(fā)展以結(jié)構(gòu)自動(dòng)化超聲焊接技術(shù)為主，電阻焊接技術(shù)等輔助的先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料高效連接。

目前常見(jiàn)的熔融焊接指的是將界面處的樹(shù)脂加熱至黏性狀態(tài)，使樹(shù)脂基體相互擴(kuò)散，并冷卻形成接合部，如圖

圖 熔融焊接技術(shù)分類

超聲波塑料焊接是一種通過(guò)金屬焊頭將高頻低幅(頻率為 20～40 kHz，振幅 1～250 μm)的縱向機(jī)械振動(dòng)作用于待焊塑料工件表面，使工件之間的接觸面發(fā)生熔化，再經(jīng)一定時(shí)間的保壓冷卻而形成可靠接頭的焊接方法。下圖展示了使用壓電換能器的超聲波焊接機(jī)的原理圖。

圖 超聲波塑料焊接

電阻焊接技術(shù)將導(dǎo)電元件（通常是碳纖維或鋼網(wǎng)）放置在要連接的組件的界面處，并連接到電源，電流的熱效應(yīng)會(huì)在界面處會(huì)產(chǎn)生熱量以熔化塑料并形成接合部。電阻焊接的示意圖，如圖所示。

圖 電阻焊接工藝示意圖

4.總結(jié)與展望

先進(jìn)熱塑復(fù)合材料技術(shù)正迅速成為航空、汽車及其他工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家重視該領(lǐng)域的研究，實(shí)現(xiàn)了諸多突破性進(jìn)展。熱塑復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用尤為顯著，如波音、空客等大型制造商已將其用于飛機(jī)蒙皮、整流罩等部位。近年來(lái)，全球復(fù)合材料研發(fā)廠商在PEEK熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域不斷發(fā)展，推動(dòng)了熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)步。技術(shù)的關(guān)鍵突破包括熱塑性樹(shù)脂熔融粘度調(diào)控、預(yù)浸設(shè)備及工藝優(yōu)化等，使得熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用前景更加廣泛。

展望未來(lái)，熱塑性復(fù)合材料在航空、汽車制造等領(lǐng)域的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是在實(shí)現(xiàn)輕量化、高效率制造方面。隨著研發(fā)投入的增加和技術(shù)的不斷成熟，預(yù)計(jì)將有更多的突破性技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，為復(fù)合材料制品的高效制造和廣泛應(yīng)用提供強(qiáng)大動(dòng)力。此外，熱塑性復(fù)合材料的環(huán)保特性和回收利用能力也將是未來(lái)研究的重點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)綠色制造和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]      趙淼.先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料現(xiàn)狀及航空應(yīng)用進(jìn)展[J/OL].復(fù)合材料科學(xué)與工程,1-9[2024-03-25].

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。