航空工业中的热塑性复材

摘要：

近年来，热塑性复合材料在航空航天工业中的应用大幅增加。其主要原因在于可回收性、快速生产、高耐化学和物理损伤能力以及较长的储存寿命等优点。作为一种轻质结构材料，热塑性复合材料已开始应用于许多航空航天领域。此外，为了扩大其应用范围并提升其在航空航天工业中的潜力，各种研究与开发（R&D）工作也在不断进行。复合材料的硬度取决于多个因素，例如纤维的排列方向和类型、纤维体积分数、基体树脂的硬度以及纤维与基体材料之间的结合力。近年来，热塑性复合材料（TPC）的应用逐渐增多，凭借其相较于热固性复合材料的诸多优势，在航空航天和汽车等高端工程领域中占据了越来越重要的地位。

热塑性塑料的整体特性

热塑性塑料可分为结构上无定形（Amorphous）和半结晶（Semi-crystalline）两类。无定形结构赋予材料弹性，而结晶结构则提供强度和刚性。热塑性塑料在室温下为固体，在高温时逐渐软化并熔融。熔融状态下的热塑性塑料易于成型。由于受热时变软并熔融，这类材料可轻松塑形。在研究其内链结构时发现，热塑性塑料的分子链之间主要依靠范德华力（Van der Waals bonds）相连，而这种作用力相对较弱。因此，热塑性塑料的结构并不十分坚硬，在加热时，其粘度降低，分子链断裂并产生流动性；冷却后，断裂的分子链重新固化，使材料恢复固态。

热塑性塑料的可塑性与回收性

由于上述特性，热塑性塑料可以通过加热和冷却的反复循环进行再塑形和回收利用。这是其相较于热固性塑料（Thermosets）的最大优势之一。热塑性塑料的成型方法众多，包括挤出成型（Extrusion）、注塑成型（Injection Molding）、纤维与长丝制造（Fiber and Filament）、涂覆工艺（Coating Processes）、压缩和传递模塑（Compression and Transfer Molding）、吹塑（Blow Molding）、旋转模塑（Rotational Molding）、热成型（Thermoforming）和浇铸（Casting）等。

热塑性复合材料（TPC）的性能受多种因素影响，例如纤维类型、增强材料的排列方式和长度等。例如，复合材料的硬度取决于纤维的排列方向和类型、纤维体积分数、基体树脂的硬度以及纤维与基体材料的结合力。尽管材料特性因多种因素而异，但其主要性能可总结如下：

• 具有较高的硬度和抗冲击性。

• 根据不同种类，即使在低温下也能在压力作用下发生形变。

• 相较于金属及许多其他材料，其密度较低，在轻量化方面具有显著优势。

• 热膨胀系数与材料的结合力强度以及熔点成反比。因此，热塑性塑料相比金属，其分子间结合力较弱，熔点较低，因此具有较高的热膨胀系数。

• 由于其原子结构不同于金属，热塑性塑料的耐腐蚀性远高于金属。

热塑性复合材料的优势

在航空航天工业中，热塑性复合材料（TPC）的使用率正在上升，这是由于其显著的优势。燃油成本是飞机运营成本的重要组成部分，因此，各种研究都致力于降低燃油消耗。此外，减少燃油消耗还能降低 CO₂ 排放。因此，在航空领域，高强度且轻量化的材料至关重要。同时，对于汽车和航空航天工业来说，提高生产效率同样具有重要意义。近年来，TPC 由于具备多项优势，使其在这些行业中备受青睐。

TPC 生产成本和时间效率较高，并且具有轻质特性，使其比传统材料更具竞争力。从化学结构来看，热塑性树脂与热固性树脂不同，热固性树脂在固化反应后会发生交联，而热塑性树脂不会。这意味着热塑性复合材料在成型后不需要像热固性材料那样经历固化周期，同时在应用过程中不会发生化学反应。在复合材料制造中，固化周期是导致较高成本和时间损失的主要因素之一，而热塑性树脂无需固化过程，即可通过热和压力固化成型，从而节省成本和时间。这使得 TPC 具有诸多优势。

更短的生产时间意味着可以设计更多自动化生产线，特别是在全球运输需求增长的情况下，航空航天工业对快速、易于管理的生产工艺要求更高，TPC 凭借其可自动化生产的特性，在这些应用中优于其他材料。此外，热塑性材料适用于多种制造方法，使其更易于生产，并加快生产速度，使其成为多个行业的理想选择。

存储与可回收性优势

热塑性材料的另一个优势是其产品寿命。由于热塑性材料在应用过程中不会发生化学变化，因此不需要像热固性材料那样在特殊环境下储存。在航空航天工业中，基于热固性树脂的复合材料生产需要无尘室（Clean Room）环境，而无尘室的要求通常会增加生产成本并降低生产效率。然而，热塑性材料的生产不受无尘室的限制。此外，由于其不易变质的特性，热塑性材料可节省冷冻存储和无尘室维护的能源、时间和资金成本。同时，即使是在环保评估中，由于不需要特殊存储条件所节省的能源消耗也具有重要意义。

由于热塑性材料不会因存储时间过长而过期，因此不会因材料过期而造成浪费。另一项重要优势是热塑性材料在应用后仍可在适当的热处理下重新塑形，使其具有可回收性。目前，环保和经济层面对回收利用的关注度不断提高，而 TPC 因其可回收性而愈发受到重视。此外，热塑性材料可以进行焊接，使得修复和粘接应用变得更简单、更高效。

环境耐受性与力学性能优势

众所周知，不少复合材料易受水分影响而降解，在航空工业中，特别是暴露在潮湿环境中的飞机部件，湿气问题尤为突出。然而，热塑性材料在这方面具有优势，因为其吸水率较低，在潮湿环境下仍能保持良好的力学性能。此外，原生热塑性树脂（Virgin Thermoplastic Resins） 比热固性树脂更坚韧，因此其抗冲击性能更优。

由于其结晶结构，TPC 通常表现出更好的耐化学性，并且其耐腐蚀性能较高，使其在各种应用中更具优势。

热塑性复合材料的挑战

尽管 TPC 具有诸多优势，但仍存在一些缺点。其中最主要的缺点包括：原材料成本较高，以及成型过程中需要高温高压条件。此外，为提供高温高压环境所需的设备成本和能耗也是其缺点之一。然而，TPC 可回收的特点可通过使用废料来部分抵消这些劣势，使其在长期应用中更具经济性。

热塑性复合材料的应用

常见的热塑性塑料可根据其特性、优缺点进行分类，如图 1 所示。随着材料等级的提高，其耐高温性、耐磨性和耐化学腐蚀性也随之增强。

图 1：热塑性材料分类

在 航空航天工业中，热塑性复合材料常采用 PEI、PEEK、PEKK、LM PAEK、PPS 和 ABS 等热塑性树脂作为基体材料，并通过 玻璃纤维（GF）或碳纤维（CF） 增强。在航空航天领域，热塑性复合材料已被广泛应用于民用航空制造、军事防御应用、航天及相关科研领域。目前，商用航空应用在行业中占据较大份额，并且各类研发（R&D）项目正在推动 TPC 在航空制造中的应用进一步增长。

根据 2019 年的一项市场研究，预计 航空航天与国防行业中热塑性复合材料市场规模将达到6.365亿美元，表明该材料在行业中的关注度和市场需求正在上升。

图 2：预测航空航天与国防工业中热塑性复合材料市场增长趋势

航空工业对TPC的需求增长

随着航空工业的快速增长，在短时间内完成飞机生产的需求变得尤为重要。此外，减少飞机结构中的铆钉和紧固件以降低整体重量，也是当今航空公司关注的重点。由于快速生产、可回收性和可焊接性，TPC 已成为航空企业研究如何替代传统材料的重要课题。因此，许多航空公司和研究机构相继推出涉及TPC的创新项目。

自1980年代以来，TPC在航空航天工业的应用不断发展，并逐步扩展至更多关键领域。

图 3：航空航天与国防工业中热塑性复合材料的关键应用

其中，空客（Airbus）在J-nose 组件中采用 CF-PPS（碳纤维增强聚苯硫醚），这一突破性应用推动了 TPC 在商业航空制造中的普及。

航空器中的 TPC 应用实例

在 飞机结构件和非结构件中，TPC 具有广泛应用。最早的 TPC 结构件应用包括 起落架舱门的加强筋（Ribs）和纵梁（Spars），随后扩展至 地板面板（1990 年代）。

作为 TPC 的主要用户之一，空客（Airbus） 在 A340-600 和 A380 机型中，采用了热塑性蒙皮（Skins）、面板（Panels）和前缘（Leading Edges）。此外，TPC 也用于商用飞机、喷气机、军用直升机 中的小型部件，例如夹子（Clips）、支架（Cleats）、托架（Brackets）和地板面板。

另一个典型案例是Gulfstream G650机型，其方向舵（Rudder）和尾翼（Tail） 均采用热塑性复合材料制造。

在飞机内饰方面，TPC主要应用于托盘（Pans）、椅背（Backs）、托盘架（Trays）和座椅框架（Seat Frames）。例如，空客 A330 和 A340 机型的侧壁（Sidewall）和天花板附件轨道（Ceiling Attachment Rail）便是典型案例。

在民用航空领域的上述应用推动下，热塑性复合材料（TPC）的使用得到了极大发展，尤其是在近年来新兴的生产工艺支持下。其中，增材制造即 3D 打印技术，已成为航空航天工业中最重要的新兴制造工艺之一。

目前，多个航空企业正在测试并采用 3D 打印的热塑性零部件，以利用其快速、精准的制造优势。例如，波音公司为737、747、777 和 787商用飞机生产的部分 TPC 组件，使公司在 787梦想机型生产中单独获利 300 万美元。3D 打印的主要经济效益来源于能够快速且无误差地制造复杂几何形状的部件。

另一项典型案例是空客 A350 XWB 飞机，其多个零部件使用了 超过 1000 种 PEI基热塑性材料3D打印而成。这些部件的应用，为民用航空、大型飞机及未来航空制造项目提供了快速、精准、轻量且耐用的解决方案，取代了传统材料和生产方法。

此外，土耳其航空航天工业公司（TAI） 也在研究 3D 打印热塑性复合材料的应用。例如 图 5 展示了ULTEM 1010 基TPC示范件以及用于纤维铺层工艺的CF-TPC 工装。

图 4：航空航天工业中热塑性复合材料的加强筋（Rib）、夹片（Clip）、支架（Bracket）和加固件（Stiffener）应用

图 5：a) PEI 基 TPC 示范件 b) CF-TPC 纤维铺层工装

热塑性复合材料在航天领域的应用

目前，许多航空航天公司正在采用不同的热塑性生产工艺来制造大小不一的火箭部件。例如，在德国航空航天中心（DLR）主导的 ATEK 项目 中，研究人员使用原位制造（In-situ Manufacturing） 技术，将CF-PEEK复合材料替换了火箭结构中的关键铝金属部件，并成功应用于探空火箭（Sounding Rocket）的测试。该项目的目标是设计可重复使用、可回收的航天器部件，以降低生产成本。图 6 展示了 ATEK 计划中使用的火箭及其 CF-PEEK 复合材料替代的旧铝合金部件。

此外，可焊接性（Weldability）是TPC在航空航天领域应用增长的关键因素之一。由于热塑性材料可通过焊接制造整体零部件，无须使用额外的装配材料（如铆钉、螺钉等），因此避免了额外重量增加以及装配过程中可能产生的损伤。例如，在一项针对空客 A330-200机型的研究中，研究人员通过感应焊接（Induction Welding）制造了CF-PPS热塑性复合材料的前缘（Leading Edge）示范件。

图 6：ATEK 项目中使用的火箭，以及被 CF-PEEK 热塑性复合材料替代的旧铝合金部件。

2015年，空客（Airbus）推出了 “明日之翼”（WOT）项目，该项目与多家航空航天公司合作，旨在开发新的制造方法，使用新型材料来制造成本更低的飞机机翼。在该项目中，GKN Aerospace 生产了一种热塑性复合材料（TPC）制成的机翼加强肋（Wing Rib），其性能可以与铝合金或热固性复合材料相媲美。使用 TPC 使得机翼重量减轻，并具有更高的耐腐蚀性。图7展示了GKN Aerospace在WOT 项目中生产的热塑性复合材料机翼加强肋。

图 7：GKN Aerospace 生产的热塑性复合材料机翼加强肋

在欧洲，许多关于航空航天领域TPC的研发项目已经与来自不同国家的航空公司及研究机构合作。其中，一个重要的TPC飞机零部件开发项目是热塑性经济型主结构联盟（TAPAS，Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure Consortium），该项目分为 TAPAS 1 和 TAPAS 2。

TAPAS 项目由荷兰牵头，于2009年启动，并持续到 2017 年，与多个航空企业和机构一同合作。TAPAS 1 阶段主要生产了示范零部件（Demonstrator Parts）、机身（Fuselage）和扭转盒（Torsion Box），而 TAPAS 2 进一步开发了新的扭转盒结构和机身技术。

目前，这些项目已纳入 “清洁天空”（Clean Sky） 计划，以优化技术方案并扩大合作伙伴数量。

lClean Sky 计划（2008-2016）

• lClean Sky 2 计划（2017-2021）（属于欧盟“地平线 2020”（Horizon 2020）项目的一部分）

• 在 Clean Sky 2 计划框架内，最重要的研发成果之一是多功能热塑性复合材料机身示范件（Multifunctional Fuselage Demonstrator）。该部件的主要目标是降低制造成本和重量，并应用于机舱系统。图 8 展示了该计划中的热塑性复合材料机身结构。

图 8：热塑性复合材料机身结构示意图

在已知的针对航空航天行业的研究和实验中，PEEK、PEKK 和 LM PAEK（属于 PAEK聚醚酮家族）是最常使用且最适合的材料。以空客 TAPAS 2 项目为例，GKN Fokker最近推出了一种名为 “对接拼接正交网格技术”（Butt-Jointed Orthogrid Technology）的低成本热塑性复合材料机身设计方案。他们开发了一款热塑性复合材料制成的机身示范件，如图 9 所示。

GKN Fokker的另一个重要应用是在实验室规模上采用在线超声点焊技术（In-line Ultrasonic Spot Welding），用于连接 Clean Sky Eco-Design 项目中生产的 CF/PEEK（碳纤维增强聚醚醚酮）铰链、CF/PEKK（碳纤维增强聚醚酮酮）夹片和 CF/PEEK C 型框架，如图 10 所示。该研究表明，可以根据不同应用需求选择不同类型的材料，并在同一产品上组合使用。

图 9：2013 年制造的首个 CF/PEKK 正交网格机身面板

图 10：Clean Sky Eco-Design 示范件

PEKK 不仅适用于航空航天应用，而且在太空结构中也有广阔的发展前景。洛克希德·马丁航天公司将为 NASA 的猎户座（Orion）飞船提供下一代 3D 打印零部件，并开展热塑性复合材料零部件制造的研发项目。在 图 11 中，展示了猎户座飞船的对接舱口盖（Docking Hatch Cover），这是使用 CF/PEKK 生产的 3D 打印零部件。

图 11：猎户座飞船的 CF/PEKK 3D 打印部件

为了提高生产效率和飞机制造速度，航空航天工业不断引入创新技术，用于飞机结构部件的设计、制造和应用。其中之一是使用 PEEK 进行过模塑（Over Molding）技术的研究。这一应用的一个示例是网格加筋。如图 12 所示，该示范面板采用 PEEK 制成，并经过网格加筋（Grid Stiffened）处理。
过模塑（Overmolding） 技术结合了压制成型（Press Forming） 和注塑成型（Injection Molding） 元素，展示了这两种工艺的良好兼容性。
这一研究最终实现了一个部件，既具备连续纤维增强复合材料的材料性能，又具备注塑格栅的几何刚性，且生产周期小于 2 分钟，大幅节省时间。

图 12：采用过模塑技术制造的 CF/PEEK 网格加筋示范件

LM PAEK作为 UD（单向）胶带 被用于 MECATESTERS Clean Sky 2大型客机项目。该项目是 Clean Sky 2 计划的一部分，为期30个月，是最早生产的复合叠层之一。

LM PAEK 最早在 TAPAS 1 开发计划中被引入。在 2013 年巴黎航展上，Airbus Nantes 展示了一块带有集成加强筋的机身面板。
该面板采用 TenCate 提供的 CF/LM PAEK 胶带制造，并通过冲压成型（Stamp Forming） 加工出的 Ω 形和对接 T 形加强筋，随后利用自动纤维铺放（AFP）技术焊接至蒙皮上。
AFP、冲压成型和焊接工艺在LM PAEK上表现良好。此外，LM PAEK适用于自动化加工工艺，特别是自动铺带（ATL）。图 13 显示了 ATL 生产的复合叠层和冲压成型的加强筋。

图 13：切割后的 CF/LM PAEK 胶带

在全球范围内，航空航天和国防工业主要使用 PPS 复合材料。
此外，一些机构已批准其在电路板、插座、插件、电子元件和军用飞机上的应用。
如 图 14 所示，A380 飞机的前缘结构 以及 A340-500/600 机翼采用PPS玻纤碳纤复合材料制造，而 G650 机型的方向舵和升降舵也由PPS碳纤复合材料生产。

图 14：A380 采用 PPS 复合材料焊接固定的机翼前缘

常见的热塑性塑料制造方法，包括热成型、压缩成型和注塑成型，这些方法通常需要高温和高压，适用于PEI（聚醚酰亚胺）等材料。这种材料有许多优点，尤其在高温下，它能够承受长期工作，并且能够保持其机械性能的稳定性。特别是在3D 打印技术的应用下，企业通过签署许多航空航天领域的“首创”研究，为文献提供了新的成果。使用该材料可以快速生产高质量的原型、工具和小批量部件。该领域最有趣的研究之一是世界首个3D 打印喷气动力无人机（UAV），该项目由 Aurora Flight Science 和 Stratasys 合作完成。该无人机的 80% 部件是由基于 PEI 的3D打印零件组成。
这一设计提供了一个轻量化并快速生产的无人机，其轻量化有助于提高飞行速度。由此制造的无人机如图 15 所示。

图 15：基于 PEI 的 3D 打印无人机

ABS 通常作为传统航空航天材料的轻质替代品，适用于强度或高温不是非常重要的应用。然而，通过适当的添加物，ABS 也可以获得一些期望的性能，使其适用于重要部件。ABS 及其与其他热塑性塑料的混合物，通常用于商用航空机舱的内部应用，因为它们具有良好的化学抗性和耐火性。ABS 被选作热塑性塑料，特别用于那些不会影响飞机总体使用或结构强度的部件，但这些部件需要轻量化，且能够提供足够强度的材料，这种材料既经济又耐用，且维修和维护便宜且容易。
CF-ABS热塑性复合材料夹芯结构随后被用作四旋翼无人机（Quadcopter）的双倾斜夹具部件并进行了测试。测试结果证明，生产的部件比旧的单一材料部件更为坚固耐用。图 16 显示了使用3D 融合沉积建模（FDM）方法打印的部分机身部件。

图 16：由 ABS 制成的机身部件

结论
热塑性复合材料（TPC）作为航空航天行业传统材料的重要替代品，凭借其所提供的优势正在逐步崭露头角。可回收、易成型、可焊接、轻量且耐用的热塑性复合材料，随着时间的推移，已成为航空航天行业重要的研究和应用课题。3D 打印技术在无人机和其他航空航天应用中与热塑性复合材料的结合具有很好的适用性。鉴于其可回收性，这些材料似乎对于未来的项目具有很高的价值。随着研发活动的增加，热塑性复合材料在飞机结构中的应用应该得到进一步推广，以便在航空和航天行业开启一个在经济和环境方面都有优势的新时期。

参考资料：

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