摘要：

近年來(lái)，熱塑性復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用大幅增加。其主要原因在于可回收性、快速生產(chǎn)、高耐化學(xué)和物理?yè)p傷能力以及較長(zhǎng)的儲(chǔ)存壽命等優(yōu)點(diǎn)。作為一種輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，熱塑性復(fù)合材料已開(kāi)始應(yīng)用于許多航空航天領(lǐng)域。此外，為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍并提升其在航空航天工業(yè)中的潛力，各種研究與開(kāi)發(fā)（R&D）工作也在不斷進(jìn)行。復(fù)合材料的硬度取決于多個(gè)因素，例如纖維的排列方向和類型、纖維體積分?jǐn)?shù)、基體樹(shù)脂的硬度以及纖維與基體材料之間的結(jié)合力。近年來(lái)，熱塑性復(fù)合材料（TPC）的應(yīng)用逐漸增多，憑借其相較于熱固性復(fù)合材料的諸多優(yōu)勢(shì)，在航空航天和汽車等高端工程領(lǐng)域中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位。

熱塑性塑料的整體特性

熱塑性塑料可分為結(jié)構(gòu)上無(wú)定形（Amorphous）和半結(jié)晶（Semi-crystalline）兩類。無(wú)定形結(jié)構(gòu)賦予材料彈性，而結(jié)晶結(jié)構(gòu)則提供強(qiáng)度和剛性。熱塑性塑料在室溫下為固體，在高溫時(shí)逐漸軟化并熔融。熔融狀態(tài)下的熱塑性塑料易于成型。由于受熱時(shí)變軟并熔融，這類材料可輕松塑形。在研究其內(nèi)鏈結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱塑性塑料的分子鏈之間主要依靠范德華力（Van der Waals bonds）相連，而這種作用力相對(duì)較弱。因此，熱塑性塑料的結(jié)構(gòu)并不十分堅(jiān)硬，在加熱時(shí)，其粘度降低，分子鏈斷裂并產(chǎn)生流動(dòng)性；冷卻后，斷裂的分子鏈重新固化，使材料恢復(fù)固態(tài)。

熱塑性塑料的可塑性與回收性

由于上述特性，熱塑性塑料可以通過(guò)加熱和冷卻的反復(fù)循環(huán)進(jìn)行再塑形和回收利用。這是其相較于熱固性塑料（Thermosets）的最大優(yōu)勢(shì)之一。熱塑性塑料的成型方法眾多，包括擠出成型（Extrusion）、注塑成型（Injection Molding）、纖維與長(zhǎng)絲制造（Fiber and Filament）、涂覆工藝（Coating Processes）、壓縮和傳遞模塑（Compression and Transfer Molding）、吹塑（Blow Molding）、旋轉(zhuǎn)模塑（Rotational Molding）、熱成型（Thermoforming）和澆鑄（Casting）等。

熱塑性復(fù)合材料（TPC）的性能受多種因素影響，例如纖維類型、增強(qiáng)材料的排列方式和長(zhǎng)度等。例如，復(fù)合材料的硬度取決于纖維的排列方向和類型、纖維體積分?jǐn)?shù)、基體樹(shù)脂的硬度以及纖維與基體材料的結(jié)合力。盡管材料特性因多種因素而異，但其主要性能可總結(jié)如下：

• 具有較高的硬度和抗沖擊性。

• 根據(jù)不同種類，即使在低溫下也能在壓力作用下發(fā)生形變。

• 相較于金屬及許多其他材料，其密度較低，在輕量化方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

• 熱膨脹系數(shù)與材料的結(jié)合力強(qiáng)度以及熔點(diǎn)成反比。因此，熱塑性塑料相比金屬，其分子間結(jié)合力較弱，熔點(diǎn)較低，因此具有較高的熱膨脹系數(shù)。

• 由于其原子結(jié)構(gòu)不同于金屬，熱塑性塑料的耐腐蝕性遠(yuǎn)高于金屬。

熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)

在航空航天工業(yè)中，熱塑性復(fù)合材料（TPC）的使用率正在上升，這是由于其顯著的優(yōu)勢(shì)。燃油成本是飛機(jī)運(yùn)營(yíng)成本的重要組成部分，因此，各種研究都致力于降低燃油消耗。此外，減少燃油消耗還能降低 CO? 排放。因此，在航空領(lǐng)域，高強(qiáng)度且輕量化的材料至關(guān)重要。同時(shí)，對(duì)于汽車和航空航天工業(yè)來(lái)說(shuō)，提高生產(chǎn)效率同樣具有重要意義。近年來(lái)，TPC 由于具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，使其在這些行業(yè)中備受青睞。

TPC 生產(chǎn)成本和時(shí)間效率較高，并且具有輕質(zhì)特性，使其比傳統(tǒng)材料更具競(jìng)爭(zhēng)力。從化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)看，熱塑性樹(shù)脂與熱固性樹(shù)脂不同，熱固性樹(shù)脂在固化反應(yīng)后會(huì)發(fā)生交聯(lián)，而熱塑性樹(shù)脂不會(huì)。這意味著熱塑性復(fù)合材料在成型后不需要像熱固性材料那樣經(jīng)歷固化周期，同時(shí)在應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在復(fù)合材料制造中，固化周期是導(dǎo)致較高成本和時(shí)間損失的主要因素之一，而熱塑性樹(shù)脂無(wú)需固化過(guò)程，即可通過(guò)熱和壓力固化成型，從而節(jié)省成本和時(shí)間。這使得 TPC 具有諸多優(yōu)勢(shì)。

更短的生產(chǎn)時(shí)間意味著可以設(shè)計(jì)更多自動(dòng)化生產(chǎn)線，特別是在全球運(yùn)輸需求增長(zhǎng)的情況下，航空航天工業(yè)對(duì)快速、易于管理的生產(chǎn)工藝要求更高，TPC 憑借其可自動(dòng)化生產(chǎn)的特性，在這些應(yīng)用中優(yōu)于其他材料。此外，熱塑性材料適用于多種制造方法，使其更易于生產(chǎn)，并加快生產(chǎn)速度，使其成為多個(gè)行業(yè)的理想選擇。

存儲(chǔ)與可回收性優(yōu)勢(shì)

熱塑性材料的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其產(chǎn)品壽命。由于熱塑性材料在應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，因此不需要像熱固性材料那樣在特殊環(huán)境下儲(chǔ)存。在航空航天工業(yè)中，基于熱固性樹(shù)脂的復(fù)合材料生產(chǎn)需要無(wú)塵室（Clean Room）環(huán)境，而無(wú)塵室的要求通常會(huì)增加生產(chǎn)成本并降低生產(chǎn)效率。然而，熱塑性材料的生產(chǎn)不受無(wú)塵室的限制。此外，由于其不易變質(zhì)的特性，熱塑性材料可節(jié)省冷凍存儲(chǔ)和無(wú)塵室維護(hù)的能源、時(shí)間和資金成本。同時(shí)，即使是在環(huán)保評(píng)估中，由于不需要特殊存儲(chǔ)條件所節(jié)省的能源消耗也具有重要意義。

由于熱塑性材料不會(huì)因存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而過(guò)期，因此不會(huì)因材料過(guò)期而造成浪費(fèi)。另一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)是熱塑性材料在應(yīng)用后仍可在適當(dāng)?shù)臒崽幚硐轮匦滤苄?，使其具有可回收性。目前，環(huán)保和經(jīng)濟(jì)層面對(duì)回收利用的關(guān)注度不斷提高，而 TPC 因其可回收性而愈發(fā)受到重視。此外，熱塑性材料可以進(jìn)行焊接，使得修復(fù)和粘接應(yīng)用變得更簡(jiǎn)單、更高效。

環(huán)境耐受性與力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)

眾所周知，不少?gòu)?fù)合材料易受水分影響而降解，在航空工業(yè)中，特別是暴露在潮濕環(huán)境中的飛機(jī)部件，濕氣問(wèn)題尤為突出。然而，熱塑性材料在這方面具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠湮瘦^低，在潮濕環(huán)境下仍能保持良好的力學(xué)性能。此外，原生熱塑性樹(shù)脂（Virgin Thermoplastic Resins） 比熱固性樹(shù)脂更堅(jiān)韌，因此其抗沖擊性能更優(yōu)。

由于其結(jié)晶結(jié)構(gòu)，TPC 通常表現(xiàn)出更好的耐化學(xué)性，并且其耐腐蝕性能較高，使其在各種應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。

熱塑性復(fù)合材料的挑戰(zhàn)

盡管 TPC 具有諸多優(yōu)勢(shì)，但仍存在一些缺點(diǎn)。其中最主要的缺點(diǎn)包括：原材料成本較高，以及成型過(guò)程中需要高溫高壓條件。此外，為提供高溫高壓環(huán)境所需的設(shè)備成本和能耗也是其缺點(diǎn)之一。然而，TPC 可回收的特點(diǎn)可通過(guò)使用廢料來(lái)部分抵消這些劣勢(shì)，使其在長(zhǎng)期應(yīng)用中更具經(jīng)濟(jì)性。

熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用

常見(jiàn)的熱塑性塑料可根據(jù)其特性、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分類，如圖 1 所示。隨著材料等級(jí)的提高，其耐高溫性、耐磨性和耐化學(xué)腐蝕性也隨之增強(qiáng)。

圖 1：熱塑性材料分類

在 航空航天工業(yè)中，熱塑性復(fù)合材料常采用 PEI、PEEK、PEKK、LM PAEK、PPS 和 ABS 等熱塑性樹(shù)脂作為基體材料，并通過(guò) 玻璃纖維（GF）或碳纖維（CF） 增強(qiáng)。在航空航天領(lǐng)域，熱塑性復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于民用航空制造、軍事防御應(yīng)用、航天及相關(guān)科研領(lǐng)域。目前，商用航空應(yīng)用在行業(yè)中占據(jù)較大份額，并且各類研發(fā)（R&D）項(xiàng)目正在推動(dòng) TPC 在航空制造中的應(yīng)用進(jìn)一步增長(zhǎng)。

根據(jù) 2019 年的一項(xiàng)市場(chǎng)研究，預(yù)計(jì) 航空航天與國(guó)防行業(yè)中熱塑性復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到6.365億美元，表明該材料在行業(yè)中的關(guān)注度和市場(chǎng)需求正在上升。

圖 2：預(yù)測(cè)航空航天與國(guó)防工業(yè)中熱塑性復(fù)合材料市場(chǎng)增長(zhǎng)趨勢(shì)

航空工業(yè)對(duì)TPC的需求增長(zhǎng)

隨著航空工業(yè)的快速增長(zhǎng)，在短時(shí)間內(nèi)完成飛機(jī)生產(chǎn)的需求變得尤為重要。此外，減少飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的鉚釘和緊固件以降低整體重量，也是當(dāng)今航空公司關(guān)注的重點(diǎn)。由于快速生產(chǎn)、可回收性和可焊接性，TPC 已成為航空企業(yè)研究如何替代傳統(tǒng)材料的重要課題。因此，許多航空公司和研究機(jī)構(gòu)相繼推出涉及TPC的創(chuàng)新項(xiàng)目。

自1980年代以來(lái)，TPC在航空航天工業(yè)的應(yīng)用不斷發(fā)展，并逐步擴(kuò)展至更多關(guān)鍵領(lǐng)域。

圖 3：航空航天與國(guó)防工業(yè)中熱塑性復(fù)合材料的關(guān)鍵應(yīng)用

其中，空客（Airbus）在J-nose 組件中采用 CF-PPS（碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚），這一突破性應(yīng)用推動(dòng)了 TPC 在商業(yè)航空制造中的普及。

航空器中的 TPC 應(yīng)用實(shí)例

在 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)件中，TPC 具有廣泛應(yīng)用。最早的 TPC 結(jié)構(gòu)件應(yīng)用包括 起落架艙門的加強(qiáng)筋（Ribs）和縱梁（Spars），隨后擴(kuò)展至 地板面板（1990 年代）。

作為 TPC 的主要用戶之一，空客（Airbus） 在 A340-600 和 A380 機(jī)型中，采用了熱塑性蒙皮（Skins）、面板（Panels）和前緣（Leading Edges）。此外，TPC 也用于商用飛機(jī)、噴氣機(jī)、軍用直升機(jī) 中的小型部件，例如夾子（Clips）、支架（Cleats）、托架（Brackets）和地板面板。

另一個(gè)典型案例是Gulfstream G650機(jī)型，其方向舵（Rudder）和尾翼（Tail） 均采用熱塑性復(fù)合材料制造。

在飛機(jī)內(nèi)飾方面，TPC主要應(yīng)用于托盤（Pans）、椅背（Backs）、托盤架（Trays）和座椅框架（Seat Frames）。例如，空客 A330 和 A340 機(jī)型的側(cè)壁（Sidewall）和天花板附件軌道（Ceiling Attachment Rail）便是典型案例。

在民用航空領(lǐng)域的上述應(yīng)用推動(dòng)下，熱塑性復(fù)合材料（TPC）的使用得到了極大發(fā)展，尤其是在近年來(lái)新興的生產(chǎn)工藝支持下。其中，增材制造即 3D 打印技術(shù)，已成為航空航天工業(yè)中最重要的新興制造工藝之一。

目前，多個(gè)航空企業(yè)正在測(cè)試并采用 3D 打印的熱塑性零部件，以利用其快速、精準(zhǔn)的制造優(yōu)勢(shì)。例如，波音公司為737、747、777 和 787商用飛機(jī)生產(chǎn)的部分 TPC 組件，使公司在 787夢(mèng)想機(jī)型生產(chǎn)中單獨(dú)獲利 300 萬(wàn)美元。3D 打印的主要經(jīng)濟(jì)效益來(lái)源于能夠快速且無(wú)誤差地制造復(fù)雜幾何形狀的部件。

另一項(xiàng)典型案例是空客 A350 XWB 飛機(jī)，其多個(gè)零部件使用了 超過(guò) 1000 種 PEI基熱塑性材料3D打印而成。這些部件的應(yīng)用，為民用航空、大型飛機(jī)及未來(lái)航空制造項(xiàng)目提供了快速、精準(zhǔn)、輕量且耐用的解決方案，取代了傳統(tǒng)材料和生產(chǎn)方法。

此外，土耳其航空航天工業(yè)公司（TAI） 也在研究 3D 打印熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用。例如 圖 5 展示了ULTEM 1010 基TPC示范件以及用于纖維鋪層工藝的CF-TPC 工裝。

圖 4：航空航天工業(yè)中熱塑性復(fù)合材料的加強(qiáng)筋（Rib）、夾片（Clip）、支架（Bracket）和加固件（Stiffener）應(yīng)用

圖 5：a) PEI 基 TPC 示范件 b) CF-TPC 纖維鋪層工裝

熱塑性復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，許多航空航天公司正在采用不同的熱塑性生產(chǎn)工藝來(lái)制造大小不一的火箭部件。例如，在德國(guó)航空航天中心（DLR）主導(dǎo)的 ATEK 項(xiàng)目 中，研究人員使用原位制造（In-situ Manufacturing） 技術(shù)，將CF-PEEK復(fù)合材料替換了火箭結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵鋁金屬部件，并成功應(yīng)用于探空火箭（Sounding Rocket）的測(cè)試。該項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)可重復(fù)使用、可回收的航天器部件，以降低生產(chǎn)成本。圖 6 展示了 ATEK 計(jì)劃中使用的火箭及其 CF-PEEK 復(fù)合材料替代的舊鋁合金部件。

此外，可焊接性（Weldability）是TPC在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。由于熱塑性材料可通過(guò)焊接制造整體零部件，無(wú)須使用額外的裝配材料（如鉚釘、螺釘?shù)龋?，因此避免了額外重量增加以及裝配過(guò)程中可能產(chǎn)生的損傷。例如，在一項(xiàng)針對(duì)空客 A330-200機(jī)型的研究中，研究人員通過(guò)感應(yīng)焊接（Induction Welding）制造了CF-PPS熱塑性復(fù)合材料的前緣（Leading Edge）示范件。

圖 6：ATEK 項(xiàng)目中使用的火箭，以及被 CF-PEEK 熱塑性復(fù)合材料替代的舊鋁合金部件。

2015年，空客（Airbus）推出了 “明日之翼”（WOT）項(xiàng)目，該項(xiàng)目與多家航空航天公司合作，旨在開(kāi)發(fā)新的制造方法，使用新型材料來(lái)制造成本更低的飛機(jī)機(jī)翼。在該項(xiàng)目中，GKN Aerospace 生產(chǎn)了一種熱塑性復(fù)合材料（TPC）制成的機(jī)翼加強(qiáng)肋（Wing Rib），其性能可以與鋁合金或熱固性復(fù)合材料相媲美。使用 TPC 使得機(jī)翼重量減輕，并具有更高的耐腐蝕性。圖7展示了GKN Aerospace在WOT 項(xiàng)目中生產(chǎn)的熱塑性復(fù)合材料機(jī)翼加強(qiáng)肋。

圖 7：GKN Aerospace 生產(chǎn)的熱塑性復(fù)合材料機(jī)翼加強(qiáng)肋

在歐洲，許多關(guān)于航空航天領(lǐng)域TPC的研發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)與來(lái)自不同國(guó)家的航空公司及研究機(jī)構(gòu)合作。其中，一個(gè)重要的TPC飛機(jī)零部件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目是熱塑性經(jīng)濟(jì)型主結(jié)構(gòu)聯(lián)盟（TAPAS，Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure Consortium），該項(xiàng)目分為 TAPAS 1 和 TAPAS 2。

TAPAS 項(xiàng)目由荷蘭牽頭，于2009年啟動(dòng)，并持續(xù)到 2017 年，與多個(gè)航空企業(yè)和機(jī)構(gòu)一同合作。TAPAS 1 階段主要生產(chǎn)了示范零部件（Demonstrator Parts）、機(jī)身（Fuselage）和扭轉(zhuǎn)盒（Torsion Box），而 TAPAS 2 進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了新的扭轉(zhuǎn)盒結(jié)構(gòu)和機(jī)身技術(shù)。

目前，這些項(xiàng)目已納入 “清潔天空”（Clean Sky） 計(jì)劃，以優(yōu)化技術(shù)方案并擴(kuò)大合作伙伴數(shù)量。

lClean Sky 計(jì)劃（2008-2016）

• lClean Sky 2 計(jì)劃（2017-2021）（屬于歐盟“地平線 2020”（Horizon 2020）項(xiàng)目的一部分）

• 在 Clean Sky 2 計(jì)劃框架內(nèi)，最重要的研發(fā)成果之一是多功能熱塑性復(fù)合材料機(jī)身示范件（Multifunctional Fuselage Demonstrator）。該部件的主要目標(biāo)是降低制造成本和重量，并應(yīng)用于機(jī)艙系統(tǒng)。圖 8 展示了該計(jì)劃中的熱塑性復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)。

圖 8：熱塑性復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖

在已知的針對(duì)航空航天行業(yè)的研究和實(shí)驗(yàn)中，PEEK、PEKK 和 LM PAEK（屬于 PAEK聚醚酮家族）是最常使用且最適合的材料。以空客 TAPAS 2 項(xiàng)目為例，GKN Fokker最近推出了一種名為 “對(duì)接拼接正交網(wǎng)格技術(shù)”（Butt-Jointed Orthogrid Technology）的低成本熱塑性復(fù)合材料機(jī)身設(shè)計(jì)方案。他們開(kāi)發(fā)了一款熱塑性復(fù)合材料制成的機(jī)身示范件，如圖 9 所示。

GKN Fokker的另一個(gè)重要應(yīng)用是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上采用在線超聲點(diǎn)焊技術(shù)（In-line Ultrasonic Spot Welding），用于連接 Clean Sky Eco-Design 項(xiàng)目中生產(chǎn)的 CF/PEEK（碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮）鉸鏈、CF/PEKK（碳纖維增強(qiáng)聚醚酮酮）夾片和 CF/PEEK C 型框架，如圖 10 所示。該研究表明，可以根據(jù)不同應(yīng)用需求選擇不同類型的材料，并在同一產(chǎn)品上組合使用。

圖 9：2013 年制造的首個(gè) CF/PEKK 正交網(wǎng)格機(jī)身面板

圖 10：Clean Sky Eco-Design 示范件

PEKK 不僅適用于航空航天應(yīng)用，而且在太空結(jié)構(gòu)中也有廣闊的發(fā)展前景。洛克希德·馬丁航天公司將為 NASA 的獵戶座（Orion）飛船提供下一代 3D 打印零部件，并開(kāi)展熱塑性復(fù)合材料零部件制造的研發(fā)項(xiàng)目。在 圖 11 中，展示了獵戶座飛船的對(duì)接艙口蓋（Docking Hatch Cover），這是使用 CF/PEKK 生產(chǎn)的 3D 打印零部件。

圖 11：獵戶座飛船的 CF/PEKK 3D 打印部件

為了提高生產(chǎn)效率和飛機(jī)制造速度，航空航天工業(yè)不斷引入創(chuàng)新技術(shù)，用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。其中之一是使用 PEEK 進(jìn)行過(guò)模塑（Over Molding）技術(shù)的研究。這一應(yīng)用的一個(gè)示例是網(wǎng)格加筋。如圖 12 所示，該示范面板采用 PEEK 制成，并經(jīng)過(guò)網(wǎng)格加筋（Grid Stiffened）處理。
過(guò)模塑（Overmolding） 技術(shù)結(jié)合了壓制成型（Press Forming） 和注塑成型（Injection Molding） 元素，展示了這兩種工藝的良好兼容性。
這一研究最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)部件，既具備連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的材料性能，又具備注塑格柵的幾何剛性，且生產(chǎn)周期小于 2 分鐘，大幅節(jié)省時(shí)間。

圖 12：采用過(guò)模塑技術(shù)制造的 CF/PEEK 網(wǎng)格加筋示范件

LM PAEK作為 UD（單向）膠帶 被用于 MECATESTERS Clean Sky 2大型客機(jī)項(xiàng)目。該項(xiàng)目是 Clean Sky 2 計(jì)劃的一部分，為期30個(gè)月，是最早生產(chǎn)的復(fù)合疊層之一。

LM PAEK 最早在 TAPAS 1 開(kāi)發(fā)計(jì)劃中被引入。在 2013 年巴黎航展上，Airbus Nantes 展示了一塊帶有集成加強(qiáng)筋的機(jī)身面板。
該面板采用 TenCate 提供的 CF/LM PAEK 膠帶制造，并通過(guò)沖壓成型（Stamp Forming） 加工出的 Ω 形和對(duì)接 T 形加強(qiáng)筋，隨后利用自動(dòng)纖維鋪放（AFP）技術(shù)焊接至蒙皮上。
AFP、沖壓成型和焊接工藝在LM PAEK上表現(xiàn)良好。此外，LM PAEK適用于自動(dòng)化加工工藝，特別是自動(dòng)鋪帶（ATL）。圖 13 顯示了 ATL 生產(chǎn)的復(fù)合疊層和沖壓成型的加強(qiáng)筋。

圖 13：切割后的 CF/LM PAEK 膠帶

在全球范圍內(nèi)，航空航天和國(guó)防工業(yè)主要使用 PPS 復(fù)合材料。
此外，一些機(jī)構(gòu)已批準(zhǔn)其在電路板、插座、插件、電子元件和軍用飛機(jī)上的應(yīng)用。
如 圖 14 所示，A380 飛機(jī)的前緣結(jié)構(gòu) 以及 A340-500/600 機(jī)翼采用PPS玻纖碳纖復(fù)合材料制造，而 G650 機(jī)型的方向舵和升降舵也由PPS碳纖復(fù)合材料生產(chǎn)。

圖 14：A380 采用 PPS 復(fù)合材料焊接固定的機(jī)翼前緣

常見(jiàn)的熱塑性塑料制造方法，包括熱成型、壓縮成型和注塑成型，這些方法通常需要高溫和高壓，適用于PEI（聚醚酰亞胺）等材料。這種材料有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其在高溫下，它能夠承受長(zhǎng)期工作，并且能夠保持其機(jī)械性能的穩(wěn)定性。特別是在3D 打印技術(shù)的應(yīng)用下，企業(yè)通過(guò)簽署許多航空航天領(lǐng)域的“首創(chuàng)”研究，為文獻(xiàn)提供了新的成果。使用該材料可以快速生產(chǎn)高質(zhì)量的原型、工具和小批量部件。該領(lǐng)域最有趣的研究之一是世界首個(gè)3D 打印噴氣動(dòng)力無(wú)人機(jī)（UAV），該項(xiàng)目由 Aurora Flight Science 和 Stratasys 合作完成。該無(wú)人機(jī)的 80% 部件是由基于 PEI 的3D打印零件組成。
這一設(shè)計(jì)提供了一個(gè)輕量化并快速生產(chǎn)的無(wú)人機(jī)，其輕量化有助于提高飛行速度。由此制造的無(wú)人機(jī)如圖 15 所示。

圖 15：基于 PEI 的 3D 打印無(wú)人機(jī)

ABS 通常作為傳統(tǒng)航空航天材料的輕質(zhì)替代品，適用于強(qiáng)度或高溫不是非常重要的應(yīng)用。然而，通過(guò)適當(dāng)?shù)奶砑游?，ABS 也可以獲得一些期望的性能，使其適用于重要部件。ABS 及其與其他熱塑性塑料的混合物，通常用于商用航空機(jī)艙的內(nèi)部應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫幕瘜W(xué)抗性和耐火性。ABS 被選作熱塑性塑料，特別用于那些不會(huì)影響飛機(jī)總體使用或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的部件，但這些部件需要輕量化，且能夠提供足夠強(qiáng)度的材料，這種材料既經(jīng)濟(jì)又耐用，且維修和維護(hù)便宜且容易。
CF-ABS熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)隨后被用作四旋翼無(wú)人機(jī)（Quadcopter）的雙傾斜夾具部件并進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證明，生產(chǎn)的部件比舊的單一材料部件更為堅(jiān)固耐用。圖 16 顯示了使用3D 融合沉積建模（FDM）方法打印的部分機(jī)身部件。

圖 16：由 ABS 制成的機(jī)身部件

結(jié)論
熱塑性復(fù)合材料（TPC）作為航空航天行業(yè)傳統(tǒng)材料的重要替代品，憑借其所提供的優(yōu)勢(shì)正在逐步嶄露頭角?？苫厥?、易成型、可焊接、輕量且耐用的熱塑性復(fù)合材料，隨著時(shí)間的推移，已成為航空航天行業(yè)重要的研究和應(yīng)用課題。3D 打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)和其他航空航天應(yīng)用中與熱塑性復(fù)合材料的結(jié)合具有很好的適用性。鑒于其可回收性，這些材料似乎對(duì)于未來(lái)的項(xiàng)目具有很高的價(jià)值。隨著研發(fā)活動(dòng)的增加，熱塑性復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用應(yīng)該得到進(jìn)一步推廣，以便在航空和航天行業(yè)開(kāi)啟一個(gè)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面都有優(yōu)勢(shì)的新時(shí)期。

參考資料：

1.Reis JP, de Moura M, Samborski S (2020) Thermoplastic Composites and Their Promising Applications in Joining and Repair Composites Structures: A Review. Materials 13(24): 5832.

2.Review of Thermoplastic Composites in Aerospace Industry, Bengu Yildiz Zeyrek1, Buse Aydogan1, Esra Dilekcan1, Fahrettin Ozturk1,2 Department of Mechanical Engineering, Ankara Yildirim Beyazit University, Turkey