开发用于商用飞机的热塑复合材料

热塑性复合材料（TPC）在商用飞机和其他航空航天应用中的使用势头越来越猛，包括电动垂直起降飞机（eVTOL）。TPC曾经被认为对于小型部件以外的应用来说过于昂贵。现在，材料和加工工艺的进步正在推动TPC成为航空航天业的焦点。

在越来越多的航空航天应用中，TPC正在取代热固性复合材料（TS）和金属材料，因为根据不同的应用，TPC部件和零件更轻、更耐用、加工效率更高。TPC的特性也打开了TS或金属不可能或不容易实现的设计和制造选项。

从环境可持续发展的角度来看，TPC部件和结构的重量更轻，有助于飞机原始设备制造商（OEM）减少飞机燃料消耗和排放。重量的减少是巨大的--在某些情况下远远超过2,000磅。此外，TPC可以很容易地被回收和再利用，而TS的回收，如热解，是一个复杂和能源密集的过程。

TS部件通常必须在高压釜中固化。TPC可以在装配过程中进行原位固化。新的自动纤维放置（AFP）和自动铺带（ATL）设备包括激光头，可以在纤维或带子铺设时立即固化TPC。TPC还与压缩成型、连续压缩成型、编织和3D打印制造方法兼容。在许多应用中，在TPC经历了这些过程之后，除了一些最终的修剪之外，几乎不需要任何后期处理。

TPC为飞机部件和结构的制造打开了大门，使之可以用更少的整体部件和步骤。例如，传统上通过将两个或三个部件固定在一起的部件，现在可能是一个单一的、焊接的TPC部件，反过来，现在可以被焊接到飞机上。这意味着有更少的材料浪费，提高了购买与飞行的比率。

TPC比TS和一些金属贵得多，但由于TPC加工设备的进步，现在使用它们的经济模式是合理的。有了这种自动化设备，TPC部件的制造比TS的生产过程要快得多，也更有效率。焊接TPC的能力对它们的日益采用很重要。当原始设备制造商能够焊接TPC部件，而不是用紧固件、粘合剂和支架连接部件时，他们可以节省重量和制造步骤。此外，可焊性有利于模块化的装配过程。

例如，飞机的不同部件和子系统可以由场外供应商制造，然后焊接到机身上。这种方法通常用于汽车行业，以其模块化制造的效率而闻名。相比之下，今天大多数商用飞机的制造周期非常长。

总而言之，随着TPC的更多使用，原始设备制造商可以体验到20%或更多的重量节省。如果考虑到制造的总成本，成品的成本可以降低30%到40%。

特别是，高压釜外复合加工的前景对原始设备制造商很有吸引力，因为高压釜循环需要时间、能源和资本资源。在等待部件完成高压釜固化的过程中，几个小时就会形成瓶颈。此外，TS预浸料需要冷藏，即使保持低温，其保质期也比可在室温下储存的TPC短得多。TS预浸料需要冷藏，这给OEM及其供应链的管理带来了物流方面的挑战。

TPC在商用飞机上的新应用包括翼梁、纵梁、机舱和尾翼等等。欧盟的清洁天空计划通过其多功能机身演示器（MFFD）项目取得了巨大的TPC进展。在一篇关于MFFD的文章中，"清洁天空计划 "表述：该项目成功的关键是复合热塑性塑料能在多大程度上被证明适用于统一系统、机舱和机身的功能。

TS密集型飞机是由内而外建造的，这限制了OEM在如何随着时间的推移装备飞机内部的灵活性。但TPC密集型飞机是由外向内建造的，使OEM在如何建造和完成飞机内部方面有更大的控制和选择。有了更多的模块化设计形式，如果航空公司希望改变机舱元素，将有可能适应和修改机舱内饰。

除了模块化设计选项，TPC为创建轮廓设计和复杂形状提供了灵活性。TPC比金属更容易弯曲，使其成为大半径的圆形或管状结构的理想选择。例如，大河公司将TPC用于劳斯莱斯超跑发动机的大型进气隔板。该隔板周长数米，被设计为分四部分组装。在关于这个项目的一篇博文中，Daher提到了TPC如何帮助解决航空工业的 "双重困境" - 环境和竞争力。

TPC有可能成为新的空白飞机项目的主要材料选择。对于这些项目，原始设备制造商在他们所选择的材料和加工路径方面有一个干净的石板。这是一个建立专门为高效TPC模块化装配设计的新生产线的机会。

TPC也在eVTOL飞机上越来越受欢迎。这些飞机的经济模式要求它们的制造速度比大型商用飞机快得多，成本也低。如果他们受到高压灭菌器和冰柜容量的限制，eVTOL OEMs不太可能成功地扩大生产规模。相反，他们需要的是在几秒钟内完成飞机部件的材料和制造工艺，而不是几小时。

TPC特别适合用于eVTOL飞机的螺旋桨叶片。TPC材料赋予叶片以韧性和抗损伤性，使其能够承受巨大的压力。eVTOL飞机有许多螺旋桨叶片，因此叶片的耐久性对OEMs提供给客户的整体价值主张非常重要。叶片越坚韧，其寿命就越长。

一些原始设备制造商正在考虑将TPC用于航天器运载工具，但需要进行更多的测试，以检查TPC在极端温度波动中保持的稳定性，以及它们在承受流星碎片的潜在撞击方面的耐用性。

在航空航天工业中，变化不会在一夜之间发生。安全标准要求对材料和工艺进行严格的测试和验证。许多TS材料在航空航天领域有着悠久的应用历史，已经被许多OEM厂商认可，并由国家先进材料性能中心（NCAMP）认证。在认证方面，TPC仍然是一个新的孩子。截至目前，只有一种TPC获得了NCAMP的认证。其他的则是由个别OEM厂商为特定的应用进行认证。

与TS供应相比，TPC供应相对不成熟。随着更多TPC的开发和NCAMP的认证，TPC的采用有望起飞。有了NCAMP认证，TPC材料的使用就有了一个开放源码的验证。TPC组件供应商将可以自由地与各种OEM厂商合作，而不仅仅是最大的厂商。

同样重要的是，要确保材料的格式规范是针对TPC的特殊细微差别和性能特点而制定的。例如，有经验的TPC制版人知道在分切带规格中应包括哪些公差，甚至是分切带将在哪台机器上运行。模板制作者还可以与TPC上游材料供应商合作，了解什么样的卷长和宽度最适合某种应用。无论材料是需要切碎用于压缩成型工艺，还是需要切成超薄胶带用于增材制造工艺，成型者都可以根据所需的最终用途定制TPC。

随着新的TPC材料、加工设备和焊接技术的进步，飞机OEM厂商在设计和制造创新方面有了大量的新机会。下一代飞机有望变得更轻、更环保、更高效，这在很大程度上得益于TPC的发展。