先进热塑性复合材料未来发展（上篇）

热塑性树脂聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)具有高耐热性、耐环境特性、优异的抗冲击、抗疲劳、耐蠕变、耐腐蚀、耐辐照、阻燃、电绝缘性好等特点，特别是PEEK长期使用温度高、耐介质性能优异，是目前能在航空主要承力结构中应用的热塑性树脂基体。PEEK、PEI和PPS在国内外 已经实现批量稳定生产。下表所示为聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI) 、聚苯硫醚(PPS)的热性能、力学性能和物理性能等。

热塑性复合材料主要有三种材料形式。

第一类是使用普通玻璃纤维或碳纤维编织的织物预浸料，织物内包含热塑性树脂。

这些材料主要用于非常大的连续结构，例如尾部升降机、襟翼和前缘等。如东丽先进复合材料公司（Toray Advanced Composites，TAC）提供的玻璃纤维或碳纤维织物，并选用PEEK、PEI、PA和PPS树脂为基体。

第二类是增强热塑性层压板。

这些材料是多层取向的层压板，分为1至20层，长度从12英尺到4英尺不等。RTL层压板经过高温和高压热成型程序以获得高粘度热塑性树脂的强纤维束浸渍。在陶瓷加热器下加热数分钟可实现层压板快速加热，然后移至热成型压力机中，在不到五分钟的时间内即可生产出复杂的零件。

第三类是热塑性胶带（Thermoplastic unitapes），其宽度通常从1/8英寸的狭缝带（或短切模塑料等级）到6至12英寸度。这种材料形式的优点是能够使用纤维铺放设备和自动铺带以获得最佳效率。通过连续压缩成型、胶带铺设或纤维胶带原位铺放，这种材料形式可提供更大范围的自动化解决方案。

2. 热塑性复合材料制造技术

先进热塑性复合材料研究开始于在上世纪70年代，主要采用热压成型技术制备。由于热塑性树脂熔融粘度大，熔融温度高，使先进热塑性复合材料及其构件成型质量差，成本高，难以成型大型复杂构件等，妨碍了先进热塑性复合材料的发展和应用。随着复合材料大功率激光加热自动铺放装备的发展，给先进热塑性复合材料快速高效低成本制造带来了新的发展机遇，先进热塑性复合材料预浸料、自动铺放原位固结成型和焊接技术成为当前发展热点。

自动铺放原位固结成型的热塑性复合材料，其内部质量和热塑性预浸料的质量有密切关系。热塑性预浸料中存在的缺陷会影响热塑性复合材料的内部质量。热塑性预浸料制造方法有很多。但作为连续纤维增强先进热塑性复合材料用预浸料，主要制造方法有熔融浸渍、料浆浸渍和流化态浸渍法。

熔融浸渍的原理为将连续纤维从纱架引出经多级辊轮后进入分丝系统，多级辊轮的作用是调节纤维所受的张力并使纤维分展开，然后在纤维预热后进入熔融浸渍模具系统中，在熔融浸渍模具中热塑性树脂在高温下熔化并浸润纤维，冷却收卷得到预浸料。热塑性预浸带熔融浸渍法制备过程如图所示。

热塑性预浸带熔融浸渍法的优点是设备简单、环境污染少、制备周期短、可连续生产等，其关键在于如何实现纤维束的均匀分散和浸渍。熔融浸渍要求树脂具有较低熔融温度和较高表面张力，以保证在较低温度下实现充分浸渍。熔融浸渍法制备的预浸带质量受纤维分散程度和树脂熔融黏度的影响很大。如果树脂熔融黏度大、纤维展开不充分会导致浸渍效果差，纤维束内孔隙率高。英国ICI公司通过长期努力，在PEEK熔融温度降低、浸渍模具结构优化、纤维展开等关键技术方面取得突破，成功制备了树脂含量均匀、柔韧性好的高质量CF/PEEK预浸带。除ICI公司外，目前TenCate, Polystrand, Gurit Suprem等公司的CF/PEEK单向预浸带或预浸丝束都使用熔融浸渍法制备。

料浆浸渍法的原理为将热塑性树脂颗粒悬浮分散于液体介质形成浸渍料浆，纤维经辊轮展开后牵引通过浸渍料浆，在纤维使表面附着热塑性树脂颗粒，然后通过浸渍导辊加压使树脂颗粒进入到纤维束内，在加热炉中加热使附着纤维的热塑性树脂颗粒熔融，烘干后得到热塑性预浸料。流化态浸渍法是利用粉末流化或者静电吸附原理，将纤维通过充满树脂粉末的区域使其充分包裹在纤维束上，然后加热加压使热塑性树脂粉末熔融浸渍从而得到预浸料。下图为流化浸渍法制备热塑性预浸带流程图。

流化态浸渍过程纤维束可以充分展开，树脂粉末颗粒可很容易进入纤维束内部，这样树脂熔融后浸渍纤 维要求的流动距离较短，因此流化态浸渍法对热塑性树脂的熔体黏度依赖性小，对纤维的浸透性好。目前，德国巴斯夫公司和美国Hexcel公司采用流化态浸渍技术生产玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维增强PEK、PEEK、PESPP、PA6和PEI树脂等热塑性预浸料等。

目前采用静电粉末浸渍法和熔融浸渍法都可实现高质量碳纤维/PEEK预浸带的制备，并在部分航空结构进行了考核验证，但尚未在航空主要承载结构得到广泛。

先进热塑性复合材料构件制造技术主要涉及热压成型和自动铺放原位固结成型技术。模压成型和热压罐成型是航空热塑性复合材料构件最主要的热压成型方法。热压成型适宜制备一些尺寸相对较小的热塑性复合材料构件，可以实现快速成型；但对于尺寸大，结构复杂的复合材料构件，由于热塑性树脂通常熔融温度高粘度大，所需的成型温度和压力大，导致对成型设备要求高，制造成本高等问题。

自动铺放（AFP）原位固结技术是将复合材料的剪裁、铺叠、熔融压实等步骤集于一体，能有效满足自动化、高效率、高质量、低成本等技术要求，是热塑性复合材料制造技术的重点发展方向。采用AFP原位固结技术不需要使用热压罐等设备，避免了需要使用热压罐对制件尺寸的限制，因此采用AFP原位固结技术可以制备飞机整体壁板、大梁、长桁、机身段、进气道等大型复合材料构件。图3所示为AFP原位固结成型过程示意图 。由于高性能热塑性树脂一般熔融温度较高，因此对于高性能热塑性复合材料构件的AFP原位固结成型设备需要应用高效激光加热。

近年来国内外开发了激光加热自动铺放设备，开展了PEEK热塑性复合材料自动铺放原位固结技术研究，取得了一定的进展，但离实际应用尚有一定的差距。

随着先进热塑性复合材料在航空领域得到应用，要求复杂加筋结构飞机机身壁板等大型复合材料构件实现整体化制造，采用自动铺放原位固结技术制造壁板蒙皮，热压成型各种加筋结构，然后利用热塑性复合材料的可焊接特性，焊接得到最终的整体结构复杂加筋结构飞机机身壁板。热塑性复合材料焊接技术主要有激光、电阻、感应以及超声波焊接技术。先进热塑性复合材料激光焊接设备成本较高。电阻焊是先进热塑性复合材料特有的焊接技术，需要在待焊的两热塑性复合材料工件间插入电阻元件，通过对电阻元件施加电流产生热量熔化热塑性复合材料树脂基体，同时加压后冷却实现热塑性复合材料的连接。超声波焊是非常适 合焊接热塑性材料的方法，具有高效、清洁、成本低、操作灵活、易于实现自动化等优点。

热塑性复合材料的超声焊接技术分为4个阶段：首先是在压力的作用下放置于连接工件之间的能量导向薄膜与连接工件的表面接触，此时在连接工件接触表面之间的能量导向薄膜在超声波作用下产生大量热量，能量导向薄膜开始熔化并产生流动，从而使得两个连接工件之间的距离减小；两个连接工件表面之间距离的减小使能量导向薄膜的熔化速率进一步提高，导致连接工件表面树脂基体熔化；熔化的能量导向薄膜在需要连接的复合材料工件表面流动并浸润；最后在压力作用下，多余的熔化树脂从界面中被挤出，冷却后形成热塑性复合材料整体结构。

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