2024最新技术热点分析-先进热塑复合材料

1.引言

国内外研究人员对连续纤维增强复合材料的性能的多个方面做了研究，以经编的方式用PET粘结纱将增强纤维GF层与树脂基体PP层相连结起来制成预制件，用热压成型方法制备CFRTP材料。分析了在相同温度下，保压时间及压力的大小对纤维浸渍情况的影响，通过对纤维浸润情况的观察，建立了浸润模型。在CFRTP制品的性能及影响因素方面做了研究，用自制的热塑性缠绕成型设备制备了连续碳纤维增强聚苯硫醚复合管材,并进行了树脂基体的结晶度测试,研究结果表明制备连续碳纤维增强聚苯硫醚管材有耐水性好:树脂基体的结晶度随着纤维增加有小幅度提高;复合材料中的空隙率对材料的层间剪切强度有较大的影响，空隙大时，复合材料的层间剪切强度降低。

在复合材料制品的加工过程中，熔体的流动对纤维的分布产生影响，当熔体流动时，与纤维间的作用力，使得纤维的排列随熔体流向而发生变化。在基体熔体高速流动时，基体的分子链与增强纤维都会发生取向，基体内部产生应力，基体的取向固定时，整体材料会有应力:增强纤维取向时，对材料的力学性能造成一定的影响。熔体流动速率的增加时，引起增强纤维的取向发生变化，整体材料的横向拉伸强度下降。热塑性复合材料的流动性能会导致增强纤维发生不同的取向，从而影响整体材料的力学性能。在GF/PP复合材料中，玻璃纤维作为增强材料的作用主要是为了吸收破坏时的能量，相当于一个承力骨架，使得PP的热力学性能较原来大为提高，整体收缩率降低，也提高了材料的尺寸稳定性。

国内外对连续纤维增强热塑性复合材料的制备工艺及其机械性能、热力学性能的研究较多，常用注塑工艺成型制备玻璃纤维增强聚丙帰复合材料，对用混纤纱法浸溃热压工艺的连续纤维增强热塑性复合材料的研究不多，尤其是不同结构形式的连续玻纤增强聚丙帰复合材料的力学性能差异及破坏机理差异的研究较少。

2.热塑复合材料的应用热点

1）汽车零配件

目前，除了航空航天领域，热塑性复合材料在汽车行业、石油化工行业等也有使用，尤其是汽车行业，是热塑性复合材料大规模使用的重要领域，目前LFT（Longfifiberreinforcedthermoplastics）已在汽车防撞梁、前端模块、仪表盘骨架、车门中间承载板、电瓶箱、座椅骨架板、备胎仓以及车底部护板等结构件和半结构件中得到广泛应用。如图23和24所示，捷豹X760发动机油盘、BMW汽车车门与前引擎盖均使用热塑性复合材料。此外，澳大利亚一家碳纤维技术公司在2012年美国拉斯维加斯举行的国际汽车零配件展览会（SEMA）上推出的世界上第1个整体式碳纤维轮毂，这种CR–9碳纤维轮毂每个仅重6.81~8.17kg，其质量比合金轮毂轻40%~50%。Smart公司的全塑复合材料车轮采用长纤维增强聚酰胺热塑性复合材料，通过注塑成型工艺制备。无论从加工成本还是成型效率来讲，这种热塑性复合材料的注塑成型都更具优势。

图 BMW汽车热塑性材料前门与车辆前引擎盖

2）H-160 直升机热塑性复合材料桨毂

H-160 直升机热塑性复合材料桨毂中央件是碳纤维增强 PEEK 热塑性复合材料在尺寸较小航空结构的典型应用，采用碳纤维织物/PEEK 预浸料模压工艺制造。H-160 直升机是空客直升机公司研发的一款全复合材料中型民用直升机。为提高球柔性旋翼核心关键件桨毂中央件的寿命，空客直升机公司设计研制了碳纤维增强 PEEK 复合材料桨毂中央件。和钛合金桨毂中央件相比，H-160 直升机热塑性复合材料桨毂中央件不但提高损伤容限和使用寿命，而且降低了制造成本和减轻了质量。图 为 H-160 直升机 T300/PEEK 复合材料桨毂中央件。

图 H-160 直升机T300/PEEK复合材料桨毂中央件

3）下一代单通道飞机CF/PEEK 复合材料加筋结构机身

法国 Stelia 公司采用丝束自动铺放原位固结/加筋结构电阻焊接技术制备了 CF/PEEK 复合材料加筋结构机身验证件，如图 所示，主要用以下一代单通道飞机使用先进热塑性复合材料可能性的评估。2018 年欧洲启动了“洁静天空 2”计划，其中包括热塑性复合材料多功能机身演示项目，主要验证 CF/PEEK 热塑性复合材料机身蒙皮自动铺放原位固结和不同热塑性复合材料焊接技术。目前该项目已经完成 8mX4m 热塑性复合材料下半部机身结构的制造，后续将和上半部热塑性机身结构连接进行考核验证。

图 CF/PEEK 热塑性复合材料全尺寸机身验证件

3.2024最新技术发展热点

自 20 世纪 60 年代以来，欧、美、日等发达国家十分重视连续纤维增强热塑性复合材料研究并取得许多突破性进展。PPS 热塑性复合材料飞机蒙皮、整流罩、升降舵、平尾等部已在波音、空客、福特等公司成功应用。近几年全球著名的复合材料研发厂商更是在 PEEK 热塑性复合材料领域不断布局，蓄势待发。2018 年 3 月，为提升热塑性复合材料的研发能力，为下一代商用飞机的发展做准备，全球最大的碳纤维制造商东丽工业株式会社以 9.3 亿欧元的价格收购了 TenCate 先进复合材料业务。美国 Hexcel 和阿科玛公司宣布建立战略联盟，以 Hexcel 在碳纤维方面的技术优势和阿科玛在 PEKK 树脂方面的优势相结合，开发用于航空航天的 PEKK 热塑性复合材料。稍后德国的 Premium Aerotec GmbH 推出了空客 A320 热塑性复合材料后压力舱壁。2019 年 1 月日本帝人宣布，公司研发的 TENAX 碳纤维和碳纤维/PEEK 热塑性单向预浸胶带（TENAX TPUD）已获得波音的认证，可用于飞机主要结构部件。随着热塑性复合材料技术的进步，人们开始注意到热塑性复合材料的作用正变得越来越重要。飞机制造商对热塑性复合材料能够快速制造的优势非常有兴趣，正在加大投入研发更大、更复杂的先进热塑性复合材料结构。但要实现先进热塑性复合材料在航空装备的大量应用，需要进一步重点发展：

1）高性能热塑性预浸料高质量高效制造技术

高性能热塑性预浸料是先进热塑性复合材料的关键中间材料，预浸料的质量和成本在很大程度上决定了热塑性复合材料的质量和成本。因此要实现先进热塑性复合材料高效应用，必须首先突破热塑性树脂熔融粘度调控、预浸设备及其预浸工艺优化技术，实现高性能热塑性预浸料高质量制造。

其中近年较为热门的是熔融浸渍，其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。

图 热塑性预浸带熔融浸渍法制备

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。

2）先进热塑性复合材料自动铺放原位固结技术

高性能热塑性树脂基体熔融温度高，熔融粘度大，热压成型要求高温高压，成型设备投资大，模具成本高，辅助材料价格贵，导致复合材料结构制造缺陷多，制造成本高。要提高先进热塑性复合材料制造质量和降低制造成本，需要发展先进热塑性复合材料预浸带分切技术和大功率激光加热自动铺放原位固结设备，优化自动铺放工艺参数，实现复杂结构先进热塑性复合材料构件自动铺放快速制造。

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。

图 高性能热塑性复合材料带铺放示意图

3）先进热塑性复合材料结构自动化焊接技术

先进热塑性复合材料整体结构具有更好的减重效率，但目前对于大尺寸形状复杂形状的热塑性复合材料构件仍然难以实现一次成型，因此发展高效连接技术成为十分迫切。热塑性复合材料连接性能对结构整体性能具有重要影响，传统的机械连接和胶结连接连接方法并不适用于先进热塑性复合材料，需要发展以结构自动化超声焊接技术为主，电阻焊接技术等辅助的先进热塑性复合材料结构自动化焊接技术，实现先进热塑性复合材料高效连接。

目前常见的熔融焊接指的是将界面处的树脂加热至黏性状态，使树脂基体相互扩散，并冷却形成接合部，如图

图 熔融焊接技术分类

超声波塑料焊接是一种通过金属焊头将高频低幅(频率为 20～40 kHz，振幅 1～250 μm)的纵向机械振动作用于待焊塑料工件表面，使工件之间的接触面发生熔化，再经一定时间的保压冷却而形成可靠接头的焊接方法。下图展示了使用压电换能器的超声波焊接机的原理图。

图 超声波塑料焊接

电阻焊接技术将导电元件（通常是碳纤维或钢网）放置在要连接的组件的界面处，并连接到电源，电流的热效应会在界面处会产生热量以熔化塑料并形成接合部。电阻焊接的示意图，如图所示。

图 电阻焊接工艺示意图

4.总结与展望

先进热塑复合材料技术正迅速成为航空、汽车及其他工业领域的关键材料。自20世纪60年代以来，欧美日等发达国家重视该领域的研究，实现了诸多突破性进展。热塑复合材料在航空航天领域的应用尤为显著，如波音、空客等大型制造商已将其用于飞机蒙皮、整流罩等部位。近年来，全球复合材料研发厂商在PEEK热塑性复合材料领域不断发展，推动了热塑性复合材料技术的进一步进步。技术的关键突破包括热塑性树脂熔融粘度调控、预浸设备及工艺优化等，使得热塑性复合材料的应用前景更加广泛。

展望未来，热塑性复合材料在航空、汽车制造等领域的应用将进一步扩大，尤其是在实现轻量化、高效率制造方面。随着研发投入的增加和技术的不断成熟，预计将有更多的突破性技术应用于实际生产中，为复合材料制品的高效制造和广泛应用提供强大动力。此外，热塑性复合材料的环保特性和回收利用能力也将是未来研究的重点，有望实现绿色制造和可持续发展的目标。

参考文献：

[1]      赵淼.先进热塑性复合材料现状及航空应用进展[J/OL].复合材料科学与工程,1-9[2024-03-25].

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。