先進熱塑性復合材料是指連續纖維（高強玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維）增強熱塑性樹脂的一類復合材料。與熱固性復合材料相比具有以下優勢：

因此，先進熱塑性復合材料是一種非常有前途的飛行器結構材料，受到廣泛關注。

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。表 1 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。

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 1 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 Ten Cate, 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。圖 2 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應用。

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。

2 先進熱塑性復合材料在航空領域的應用

先進熱塑性復合材料已在航空領域開始得到應用，已從簡單的非承力件應用逐漸開始向重要件、承力件應用考核，特別是隨著熱塑性復合材料自動鋪放原位固結技術的發展，先進熱塑性復合材料在飛機主承力構件的應用前景已經逐漸清晰。

先進熱塑性復合材料早期應用主要是纖維增強 PPS 熱塑性復合材料，采用預浸料/熱壓罐成型工藝制造。和 PEEK 熱塑性復合材料相比，PPS 熱塑性復合材料的優點是樹脂粘度低，能夠在較低壓力下成型，缺點是使用溫度低，不能滿足超音速飛機的應用要求。圖 4 為 Fokker 公司采用 GF/PPS 復合材料為空客 A380 飛機研制的機翼前緣、Gulfstream G650飛機的方向舵和升降舵，以及 A320 飛機后壓力艙壁板 ，實現重量減輕約10%，成本降低約20%。

PEEK 熱塑性復合材料具有使用溫度高、耐介質性能優異等特點，是目前能在航空主要承力結構中應用的熱塑性復合材料。但早期 PEEK 熱塑性復合材料的應用主要是尺寸較小的熱壓成型構件。隨著先進熱塑性復合材料制造技術，特別是自動鋪放原位固結成型技術的逐漸成熟，連續纖維增強 PEEK 復合材料將從簡單的非承力件逐漸向重要件、承力件拓展，采用PEEK 熱塑性復合材料預浸料/熱壓成型的復合材料構件不斷得到應用，PEEK 熱塑性復合材料預浸料/原位固結成型技術得到考核驗證。

H-160 直升機熱塑性復合材料槳轂中央件是碳纖維增強 PEEK 熱塑性復合材料在尺寸較小航空結構的典型應用，采用碳纖維織物/PEEK 預浸料模壓工藝制造。

H-160 直升機是空客直升機公司研發的一款全復合材料中型民用直升機。為提高球柔性旋翼核心關鍵件槳轂中央件的壽命，空客直升機公司設計研制了碳纖維增強 PEEK 復合材料槳轂中央件。和鈦合金槳轂中央件相比，H-160 直升機熱塑性復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量。圖5為 H-160 直升機 T300/PEEK 復合材料槳轂中央件。

圖5 H-160  直升機T300/PEEK復合材料槳轂中央件

PEEK 熱塑性復合材料樹脂基體熔融粘度大，熔融溫度高，需要高的成型壓力和溫度，采用的模壓工藝難以成型大尺寸的復合材料關鍵。隨著先進熱塑性復合材料自動鋪放原位固結成型技術的逐漸成熟，連續纖維增強 PEEK 復合材料逐漸向大尺寸承力件拓展。荷蘭國家航空航天實驗室（NLR）采用自動鋪放工藝技術研制了大尺寸、大厚度熱塑性復合材料發動機短艙吊梁，所用材料是 TC1320CF/PEKK 預浸料。短艙吊梁長 6m，厚度 28mm，和原金屬短艙吊梁相比，熱塑性復合材料短艙吊梁顯著降低了制造成本和結構重量。

法國 Stelia 公司采用絲束自動鋪放原位固結/加筋結構電阻焊接技術制備了 CF/PEEK復合材料加筋結構機身驗證件，如圖 6 所示，主要用以下一代單通道飛機使用先進熱塑性復合材料可能性的評估。

2018 年歐洲啟動了“潔靜天空 2”計劃，其中包括熱塑性復合材料多功能機身演示項目，主要驗證 CF/PEEK 熱塑性復合材料機身蒙皮自動鋪放原位固結和不同熱塑性復合材料焊接技術。目前該項目已經完成 8m X4m 熱塑性復合材料下半部機身結構的制造，后續將和上半部熱塑性機身結構連接進行考核驗證。

自 20 世紀 60 年代以來，歐、美、日等發達國家十分重視連續纖維增強熱塑性復合材料研究并取得許多突破性進展。PPS 熱塑性復合材料飛機蒙皮、整流罩、升降舵、平尾等部已在波音、空客、福特等公司成功應用。近幾年全球著名的復合材料研發廠商更是在 PEEK 熱塑性復合材料領域不斷布局，蓄勢待發。2018 年 3 月，為提升熱塑性復合材料的研發能力，為下一代商用飛機的發展做準備，全球最大的碳纖維制造商東麗工業株式會社以 9.3 億歐元的價格收購了 Ten Cate 先進復合材料業務。美國 Hexcel 和阿科瑪公司宣布建立戰略聯盟，以 Hexcel 在碳纖維方面的技術優勢和阿科瑪在PEKK 樹脂方面的優勢相結合，開發用于航空航天的PEKK 熱塑性復合材料。稍后德國的Premium Aerotec Gmb H 推出了空客 A320 熱塑性復合材料后壓力艙壁。2019 年 1 月日本帝人宣布，公司研發的 TENAX 碳纖維和碳纖維/PEEK 熱塑性單向預浸膠帶（TENAX TPUD）已獲得波音的認證，可用于飛機主要結構部件。

隨著熱塑性復合材料技術的進步，人們開始注意到熱塑性復合材料的作用正變得越來越重要。飛機制造商對熱塑性復合材料能夠快速制造的優勢非常有興趣，正在加大投入研發更大、更復雜的先進熱塑性復合材料結構。但要實現先進熱塑性復合材料在航空裝備的大量應用，需要進一步重點發展：

高性能熱塑性預浸料是先進熱塑性復合材料的關鍵中間材料，預浸料的質量和成本在很大程度上決定了熱塑性復合材料的質量和成本。因此要實現先進熱塑性復合材料高效應用，必須首先突破熱塑性樹脂熔融粘度調控、預浸設備及其預浸工藝優化技術，實現高性能熱塑性預浸料高質量制造。

高性能熱塑性樹脂基體熔融溫度高，熔融粘度大，熱壓成型要求高溫高壓，成型設備投資大，模具成本高，輔助材料價格貴，導致復合材料結構制造缺陷多，制造成本高。要提高先進熱塑性復合材料制造質量和降低制造成本，需要發展先進熱塑性復合材料預浸帶分切技術和大功率激光加熱自動鋪放原位固結設備，優化自動鋪放工藝參數，實現復雜結構先進熱塑性復合材料構件自動鋪放快速制造。

（3）先進熱塑性復合材料結構自動化焊接技術。

先進熱塑性復合材料整體結構具有更好的減重效率，但目前對于大尺寸形狀復雜形狀的熱塑性復合材料構件仍然難以實現一次成型，因此發展高效連接技術成為十分迫切。熱塑性復合材料連接性能對結構整體性能具有重要影響，傳統的機械連接和膠結連接連接方法并不適用于先進熱塑性復合材料，需要發展以結構自動化超聲焊接技術為主，電阻焊接技術等輔助的先進熱塑性復合材料結構自動化焊接技術，實現先進熱塑性復合材料高效連接。