热塑性碳纤维部件的高容量制造和焊接技术进步促使OEMs进一步研究该材料在飞机制造领域应用

热塑性复合材料预期未来光明，长期以来，航空航天OEMs依赖热固性碳纤维材料制造飞机的强度极高的复合结构部件。如今，随着技术进步，这些OEMs开始接受另一类碳纤维材料，这些技术进步预示着可以自动化生产新型非热固性部件，且具有高产量、低成本和轻重量的特点。尽管热塑性碳纤维复合材料“已经存在很长时间”，但只是最近，航空制造商才考虑广泛使用它们制造包括主要结构组件在内的飞机部件，柯林斯航空航天公司高级结构部门的工程副总裁Stephane Dion说道。热塑性碳纤维复合材料相较于热固性复合材料，为航空航天OEMs提供了几个优势。但直到最近，制造商才能以高效率和低成本生产出热塑性复合材料部件。在过去五年中，随着碳纤维复合材料部件制造科学的发展，OEMs开始超越从热固性材料制造部件的范畴，首先使用树脂灌注和树脂转移模塑(RTM)技术制造飞机部件，然后采用热塑性复合材料。GKN AeroSpace在其树脂灌注和RTM技术开发上投入巨资，以实现大型飞机结构部件的高效率和经济性生产。根据GKN AeroSpace Horizon 3先进技术计划的技术副总裁Max Brown的说法，GKN现在使用树脂灌注制造方法生产出17米长的单片复合材料机翼梁。Dion表示，过去几年中，OEMs在复合材料制造上的大量投资还包括战略性地开发高容量生产热塑性部件的能力。

热固性和热塑性材料之间最显著的区别在于热固性材料在成型成部件之前必须冷藏，一旦成型，热固性部件必须在高压釜中固化数小时。这些过程需要大量的能量和时间，因此热固性部件的生产成本往往保持在高水平。固化改变了热固性复合材料的分子结构，使其不可逆，从而赋予部件强度。然而，在当前技术发展阶段，固化也使得部件中的材料不适合再次用于主要结构组件。

然而，Dion指出，热塑性材料制成部件时不需要冷藏或烘烤。它们可以被压成简单部件的最终形状——空客A350机身框架的每一个支架都是热塑性复合材料部件——或更复杂组件的中间阶段。热塑性材料可以通过各种方式焊接在一起，允许从简单的子结构制造出复杂、高度成形的部件。Dion表示，今天主要使用感应焊接，它只允许从子部件制造出平面、厚度恒定的部件。然而，柯林斯正在开发用于连接热塑性部件的振动和摩擦焊接技术，一旦认证，它预计最终将能够生产“真正先进的复杂结构”。通过焊接热塑性材料来制造复杂结构的能力，使制造商可以摒弃热固性部件所需的金属螺钉、紧固件和铰链来进行连接和折叠，据Brown估计，这样可以带来大约10%的重量减轻优势。

据海外研究机构分析到2030年，热塑性复合材料的全球市场预计将达到460亿美元。2022年，该市场的估计规模为263亿美元，预计在2022-2030年的分析期间以7.2%的年复合增长率(CAGR)增长。报告分析的一个细分市场，短纤维热塑性(SFT)复合材料，预计将以6.9%的CAGR增长，并在分析期末达到257亿美元。长纤维热塑性(LFT)细分市场的增长在未来8年的预测期内估计为8%的CAGR。

在国际上，热塑性复合材料领域正在经历显著的发展和增长。例如，GKN在荷兰Papendrecht生产的翼尾部包含了热塑性方向舵和升降舵，体现了这些材料在航空领域的应用潜力 [进一步的技术进步，如高容量制造和热塑性碳纤维部件的焊接，激励了原始设备制造商(OEMs)对这种材料的更多应用进行研究。市场研究表明，热塑性复合材料的全球市场预计将从2022年的260亿美元增长到2030年的460亿美元，复合年增长率为7.2% 这一增长受到多个因素的驱动，包括汽车产业对轻质热塑性复合材料需求的增加，电动车(EVS)生产和采纳的提升，以及航空业的稳步复苏。热塑性复合材料因其在重量和燃料成本减少方面的优势，以及在建筑和建材、消费电子产品、风能和军事航空等领域的广泛应用，成为多个行业的首选材料。此外，随着对环境友好和可持续材料需求的增加，热塑性复合材料的研发和应用也在向更加环保和可回收的方向发展。持续的技术创新和应用拓展表明，热塑性复合材料在未来几年内将持续在全球市场上扩大其影响力。

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