摘要：

近年來，熱塑性復合材料在航空航天工業中的應用大幅增加。其主要原因在于可回收性、快速生產、高耐化學和物理損傷能力以及較長的儲存壽命等優點。作為一種輕質結構材料，熱塑性復合材料已開始應用于許多航空航天領域。此外，為了擴大其應用范圍并提升其在航空航天工業中的潛力，各種研究與開發（R&D）工作也在不斷進行。復合材料的硬度取決于多個因素，例如纖維的排列方向和類型、纖維體積分數、基體樹脂的硬度以及纖維與基體材料之間的結合力。近年來，熱塑性復合材料（TPC）的應用逐漸增多，憑借其相較于熱固性復合材料的諸多優勢，在航空航天和汽車等高端工程領域中占據了越來越重要的地位。

熱塑性塑料的整體特性

熱塑性塑料可分為結構上無定形（Amorphous）和半結晶（Semi-crystalline）兩類。無定形結構賦予材料彈性，而結晶結構則提供強度和剛性。熱塑性塑料在室溫下為固體，在高溫時逐漸軟化并熔融。熔融狀態下的熱塑性塑料易于成型。由于受熱時變軟并熔融，這類材料可輕松塑形。在研究其內鏈結構時發現，熱塑性塑料的分子鏈之間主要依靠范德華力（Van der Waals bonds）相連，而這種作用力相對較弱。因此，熱塑性塑料的結構并不十分堅硬，在加熱時，其粘度降低，分子鏈斷裂并產生流動性；冷卻后，斷裂的分子鏈重新固化，使材料恢復固態。

熱塑性塑料的可塑性與回收性

由于上述特性，熱塑性塑料可以通過加熱和冷卻的反復循環進行再塑形和回收利用。這是其相較于熱固性塑料（Thermosets）的最大優勢之一。熱塑性塑料的成型方法眾多，包括擠出成型（Extrusion）、注塑成型（Injection Molding）、纖維與長絲制造（Fiber and Filament）、涂覆工藝（Coating Processes）、壓縮和傳遞模塑（Compression and Transfer Molding）、吹塑（Blow Molding）、旋轉模塑（Rotational Molding）、熱成型（Thermoforming）和澆鑄（Casting）等。

熱塑性復合材料（TPC）的性能受多種因素影響，例如纖維類型、增強材料的排列方式和長度等。例如，復合材料的硬度取決于纖維的排列方向和類型、纖維體積分數、基體樹脂的硬度以及纖維與基體材料的結合力。盡管材料特性因多種因素而異，但其主要性能可總結如下：

• 具有較高的硬度和抗沖擊性。

• 根據不同種類，即使在低溫下也能在壓力作用下發生形變。

• 相較于金屬及許多其他材料，其密度較低，在輕量化方面具有顯著優勢。

• 熱膨脹系數與材料的結合力強度以及熔點成反比。因此，熱塑性塑料相比金屬，其分子間結合力較弱，熔點較低，因此具有較高的熱膨脹系數。

• 由于其原子結構不同于金屬，熱塑性塑料的耐腐蝕性遠高于金屬。

熱塑性復合材料的優勢

在航空航天工業中，熱塑性復合材料（TPC）的使用率正在上升，這是由于其顯著的優勢。燃油成本是飛機運營成本的重要組成部分，因此，各種研究都致力于降低燃油消耗。此外，減少燃油消耗還能降低 CO? 排放。因此，在航空領域，高強度且輕量化的材料至關重要。同時，對于汽車和航空航天工業來說，提高生產效率同樣具有重要意義。近年來，TPC 由于具備多項優勢，使其在這些行業中備受青睞。

TPC 生產成本和時間效率較高，并且具有輕質特性，使其比傳統材料更具競爭力。從化學結構來看，熱塑性樹脂與熱固性樹脂不同，熱固性樹脂在固化反應后會發生交聯，而熱塑性樹脂不會。這意味著熱塑性復合材料在成型后不需要像熱固性材料那樣經歷固化周期，同時在應用過程中不會發生化學反應。在復合材料制造中，固化周期是導致較高成本和時間損失的主要因素之一，而熱塑性樹脂無需固化過程，即可通過熱和壓力固化成型，從而節省成本和時間。這使得 TPC 具有諸多優勢。

更短的生產時間意味著可以設計更多自動化生產線，特別是在全球運輸需求增長的情況下，航空航天工業對快速、易于管理的生產工藝要求更高，TPC 憑借其可自動化生產的特性，在這些應用中優于其他材料。此外，熱塑性材料適用于多種制造方法，使其更易于生產，并加快生產速度，使其成為多個行業的理想選擇。

存儲與可回收性優勢

熱塑性材料的另一個優勢是其產品壽命。由于熱塑性材料在應用過程中不會發生化學變化，因此不需要像熱固性材料那樣在特殊環境下儲存。在航空航天工業中，基于熱固性樹脂的復合材料生產需要無塵室（Clean Room）環境，而無塵室的要求通常會增加生產成本并降低生產效率。然而，熱塑性材料的生產不受無塵室的限制。此外，由于其不易變質的特性，熱塑性材料可節省冷凍存儲和無塵室維護的能源、時間和資金成本。同時，即使是在環保評估中，由于不需要特殊存儲條件所節省的能源消耗也具有重要意義。

由于熱塑性材料不會因存儲時間過長而過期，因此不會因材料過期而造成浪費。另一項重要優勢是熱塑性材料在應用后仍可在適當的熱處理下重新塑形，使其具有可回收性。目前，環保和經濟層面對回收利用的關注度不斷提高，而 TPC 因其可回收性而愈發受到重視。此外，熱塑性材料可以進行焊接，使得修復和粘接應用變得更簡單、更高效。

環境耐受性與力學性能優勢

眾所周知，不少復合材料易受水分影響而降解，在航空工業中，特別是暴露在潮濕環境中的飛機部件，濕氣問題尤為突出。然而，熱塑性材料在這方面具有優勢，因為其吸水率較低，在潮濕環境下仍能保持良好的力學性能。此外，原生熱塑性樹脂（Virgin Thermoplastic Resins） 比熱固性樹脂更堅韌，因此其抗沖擊性能更優。

由于其結晶結構，TPC 通常表現出更好的耐化學性，并且其耐腐蝕性能較高，使其在各種應用中更具優勢。

熱塑性復合材料的挑戰

盡管 TPC 具有諸多優勢，但仍存在一些缺點。其中最主要的缺點包括：原材料成本較高，以及成型過程中需要高溫高壓條件。此外，為提供高溫高壓環境所需的設備成本和能耗也是其缺點之一。然而，TPC 可回收的特點可通過使用廢料來部分抵消這些劣勢，使其在長期應用中更具經濟性。

熱塑性復合材料的應用

常見的熱塑性塑料可根據其特性、優缺點進行分類，如圖 1 所示。隨著材料等級的提高，其耐高溫性、耐磨性和耐化學腐蝕性也隨之增強。

圖 1：熱塑性材料分類

在 航空航天工業中，熱塑性復合材料常采用 PEI、PEEK、PEKK、LM PAEK、PPS 和 ABS 等熱塑性樹脂作為基體材料，并通過 玻璃纖維（GF）或碳纖維（CF） 增強。在航空航天領域，熱塑性復合材料已被廣泛應用于民用航空制造、軍事防御應用、航天及相關科研領域。目前，商用航空應用在行業中占據較大份額，并且各類研發（R&D）項目正在推動 TPC 在航空制造中的應用進一步增長。

根據 2019 年的一項市場研究，預計 航空航天與國防行業中熱塑性復合材料市場規模將達到6.365億美元，表明該材料在行業中的關注度和市場需求正在上升。

圖 2：預測航空航天與國防工業中熱塑性復合材料市場增長趨勢

航空工業對TPC的需求增長

隨著航空工業的快速增長，在短時間內完成飛機生產的需求變得尤為重要。此外，減少飛機結構中的鉚釘和緊固件以降低整體重量，也是當今航空公司關注的重點。由于快速生產、可回收性和可焊接性，TPC 已成為航空企業研究如何替代傳統材料的重要課題。因此，許多航空公司和研究機構相繼推出涉及TPC的創新項目。

自1980年代以來，TPC在航空航天工業的應用不斷發展，并逐步擴展至更多關鍵領域。

圖 3：航空航天與國防工業中熱塑性復合材料的關鍵應用

其中，空客（Airbus）在J-nose 組件中采用 CF-PPS（碳纖維增強聚苯硫醚），這一突破性應用推動了 TPC 在商業航空制造中的普及。

航空器中的 TPC 應用實例

在 飛機結構件和非結構件中，TPC 具有廣泛應用。最早的 TPC 結構件應用包括 起落架艙門的加強筋（Ribs）和縱梁（Spars），隨后擴展至 地板面板（1990 年代）。

作為 TPC 的主要用戶之一，空客（Airbus） 在 A340-600 和 A380 機型中，采用了熱塑性蒙皮（Skins）、面板（Panels）和前緣（Leading Edges）。此外，TPC 也用于商用飛機、噴氣機、軍用直升機 中的小型部件，例如夾子（Clips）、支架（Cleats）、托架（Brackets）和地板面板。

另一個典型案例是Gulfstream G650機型，其方向舵（Rudder）和尾翼（Tail） 均采用熱塑性復合材料制造。

在飛機內飾方面，TPC主要應用于托盤（Pans）、椅背（Backs）、托盤架（Trays）和座椅框架（Seat Frames）。例如，空客 A330 和 A340 機型的側壁（Sidewall）和天花板附件軌道（Ceiling Attachment Rail）便是典型案例。

在民用航空領域的上述應用推動下，熱塑性復合材料（TPC）的使用得到了極大發展，尤其是在近年來新興的生產工藝支持下。其中，增材制造即 3D 打印技術，已成為航空航天工業中最重要的新興制造工藝之一。

目前，多個航空企業正在測試并采用 3D 打印的熱塑性零部件，以利用其快速、精準的制造優勢。例如，波音公司為737、747、777 和 787商用飛機生產的部分 TPC 組件，使公司在 787夢想機型生產中單獨獲利 300 萬美元。3D 打印的主要經濟效益來源于能夠快速且無誤差地制造復雜幾何形狀的部件。

另一項典型案例是空客 A350 XWB 飛機，其多個零部件使用了 超過 1000 種 PEI基熱塑性材料3D打印而成。這些部件的應用，為民用航空、大型飛機及未來航空制造項目提供了快速、精準、輕量且耐用的解決方案，取代了傳統材料和生產方法。

此外，土耳其航空航天工業公司（TAI） 也在研究 3D 打印熱塑性復合材料的應用。例如 圖 5 展示了ULTEM 1010 基TPC示范件以及用于纖維鋪層工藝的CF-TPC 工裝。

圖 4：航空航天工業中熱塑性復合材料的加強筋（Rib）、夾片（Clip）、支架（Bracket）和加固件（Stiffener）應用

圖 5：a) PEI 基 TPC 示范件 b) CF-TPC 纖維鋪層工裝

熱塑性復合材料在航天領域的應用

目前，許多航空航天公司正在采用不同的熱塑性生產工藝來制造大小不一的火箭部件。例如，在德國航空航天中心（DLR）主導的 ATEK 項目 中，研究人員使用原位制造（In-situ Manufacturing） 技術，將CF-PEEK復合材料替換了火箭結構中的關鍵鋁金屬部件，并成功應用于探空火箭（Sounding Rocket）的測試。該項目的目標是設計可重復使用、可回收的航天器部件，以降低生產成本。圖 6 展示了 ATEK 計劃中使用的火箭及其 CF-PEEK 復合材料替代的舊鋁合金部件。

此外，可焊接性（Weldability）是TPC在航空航天領域應用增長的關鍵因素之一。由于熱塑性材料可通過焊接制造整體零部件，無須使用額外的裝配材料（如鉚釘、螺釘等），因此避免了額外重量增加以及裝配過程中可能產生的損傷。例如，在一項針對空客 A330-200機型的研究中，研究人員通過感應焊接（Induction Welding）制造了CF-PPS熱塑性復合材料的前緣（Leading Edge）示范件。

圖 6：ATEK 項目中使用的火箭，以及被 CF-PEEK 熱塑性復合材料替代的舊鋁合金部件。

2015年，空客（Airbus）推出了 “明日之翼”（WOT）項目，該項目與多家航空航天公司合作，旨在開發新的制造方法，使用新型材料來制造成本更低的飛機機翼。在該項目中，GKN Aerospace 生產了一種熱塑性復合材料（TPC）制成的機翼加強肋（Wing Rib），其性能可以與鋁合金或熱固性復合材料相媲美。使用 TPC 使得機翼重量減輕，并具有更高的耐腐蝕性。圖7展示了GKN Aerospace在WOT 項目中生產的熱塑性復合材料機翼加強肋。

圖 7：GKN Aerospace 生產的熱塑性復合材料機翼加強肋

在歐洲，許多關于航空航天領域TPC的研發項目已經與來自不同國家的航空公司及研究機構合作。其中，一個重要的TPC飛機零部件開發項目是熱塑性經濟型主結構聯盟（TAPAS，Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure Consortium），該項目分為 TAPAS 1 和 TAPAS 2。

TAPAS 項目由荷蘭牽頭，于2009年啟動，并持續到 2017 年，與多個航空企業和機構一同合作。TAPAS 1 階段主要生產了示范零部件（Demonstrator Parts）、機身（Fuselage）和扭轉盒（Torsion Box），而 TAPAS 2 進一步開發了新的扭轉盒結構和機身技術。

目前，這些項目已納入 “清潔天空”（Clean Sky） 計劃，以優化技術方案并擴大合作伙伴數量。

lClean Sky 計劃（2008-2016）

• lClean Sky 2 計劃（2017-2021）（屬于歐盟“地平線 2020”（Horizon 2020）項目的一部分）

• 在 Clean Sky 2 計劃框架內，最重要的研發成果之一是多功能熱塑性復合材料機身示范件（Multifunctional Fuselage Demonstrator）。該部件的主要目標是降低制造成本和重量，并應用于機艙系統。圖 8 展示了該計劃中的熱塑性復合材料機身結構。

圖 8：熱塑性復合材料機身結構示意圖

在已知的針對航空航天行業的研究和實驗中，PEEK、PEKK 和 LM PAEK（屬于 PAEK聚醚酮家族）是最常使用且最適合的材料。以空客 TAPAS 2 項目為例，GKN Fokker最近推出了一種名為 “對接拼接正交網格技術”（Butt-Jointed Orthogrid Technology）的低成本熱塑性復合材料機身設計方案。他們開發了一款熱塑性復合材料制成的機身示范件，如圖 9 所示。

GKN Fokker的另一個重要應用是在實驗室規模上采用在線超聲點焊技術（In-line Ultrasonic Spot Welding），用于連接 Clean Sky Eco-Design 項目中生產的 CF/PEEK（碳纖維增強聚醚醚酮）鉸鏈、CF/PEKK（碳纖維增強聚醚酮酮）夾片和 CF/PEEK C 型框架，如圖 10 所示。該研究表明，可以根據不同應用需求選擇不同類型的材料，并在同一產品上組合使用。

圖 9：2013 年制造的首個 CF/PEKK 正交網格機身面板

圖 10：Clean Sky Eco-Design 示范件

PEKK 不僅適用于航空航天應用，而且在太空結構中也有廣闊的發展前景。洛克希德·馬丁航天公司將為 NASA 的獵戶座（Orion）飛船提供下一代 3D 打印零部件，并開展熱塑性復合材料零部件制造的研發項目。在 圖 11 中，展示了獵戶座飛船的對接艙口蓋（Docking Hatch Cover），這是使用 CF/PEKK 生產的 3D 打印零部件。

圖 11：獵戶座飛船的 CF/PEKK 3D 打印部件

為了提高生產效率和飛機制造速度，航空航天工業不斷引入創新技術，用于飛機結構部件的設計、制造和應用。其中之一是使用 PEEK 進行過模塑（Over Molding）技術的研究。這一應用的一個示例是網格加筋。如圖 12 所示，該示范面板采用 PEEK 制成，并經過網格加筋（Grid Stiffened）處理。
過模塑（Overmolding） 技術結合了壓制成型（Press Forming） 和注塑成型（Injection Molding） 元素，展示了這兩種工藝的良好兼容性。
這一研究最終實現了一個部件，既具備連續纖維增強復合材料的材料性能，又具備注塑格柵的幾何剛性，且生產周期小于 2 分鐘，大幅節省時間。

圖 12：采用過模塑技術制造的 CF/PEEK 網格加筋示范件

LM PAEK作為 UD（單向）膠帶 被用于 MECATESTERS Clean Sky 2大型客機項目。該項目是 Clean Sky 2 計劃的一部分，為期30個月，是最早生產的復合疊層之一。

LM PAEK 最早在 TAPAS 1 開發計劃中被引入。在 2013 年巴黎航展上，Airbus Nantes 展示了一塊帶有集成加強筋的機身面板。
該面板采用 TenCate 提供的 CF/LM PAEK 膠帶制造，并通過沖壓成型（Stamp Forming） 加工出的 Ω 形和對接 T 形加強筋，隨后利用自動纖維鋪放（AFP）技術焊接至蒙皮上。
AFP、沖壓成型和焊接工藝在LM PAEK上表現良好。此外，LM PAEK適用于自動化加工工藝，特別是自動鋪帶（ATL）。圖 13 顯示了 ATL 生產的復合疊層和沖壓成型的加強筋。

圖 13：切割后的 CF/LM PAEK 膠帶

在全球范圍內，航空航天和國防工業主要使用 PPS 復合材料。
此外，一些機構已批準其在電路板、插座、插件、電子元件和軍用飛機上的應用。
如 圖 14 所示，A380 飛機的前緣結構 以及 A340-500/600 機翼采用PPS玻纖碳纖復合材料制造，而 G650 機型的方向舵和升降舵也由PPS碳纖復合材料生產。

圖 14：A380 采用 PPS 復合材料焊接固定的機翼前緣

常見的熱塑性塑料制造方法，包括熱成型、壓縮成型和注塑成型，這些方法通常需要高溫和高壓，適用于PEI（聚醚酰亞胺）等材料。這種材料有許多優點，尤其在高溫下，它能夠承受長期工作，并且能夠保持其機械性能的穩定性。特別是在3D 打印技術的應用下，企業通過簽署許多航空航天領域的“首創”研究，為文獻提供了新的成果。使用該材料可以快速生產高質量的原型、工具和小批量部件。該領域最有趣的研究之一是世界首個3D 打印噴氣動力無人機（UAV），該項目由 Aurora Flight Science 和 Stratasys 合作完成。該無人機的 80% 部件是由基于 PEI 的3D打印零件組成。
這一設計提供了一個輕量化并快速生產的無人機，其輕量化有助于提高飛行速度。由此制造的無人機如圖 15 所示。

圖 15：基于 PEI 的 3D 打印無人機

ABS 通常作為傳統航空航天材料的輕質替代品，適用于強度或高溫不是非常重要的應用。然而，通過適當的添加物，ABS 也可以獲得一些期望的性能，使其適用于重要部件。ABS 及其與其他熱塑性塑料的混合物，通常用于商用航空機艙的內部應用，因為它們具有良好的化學抗性和耐火性。ABS 被選作熱塑性塑料，特別用于那些不會影響飛機總體使用或結構強度的部件，但這些部件需要輕量化，且能夠提供足夠強度的材料，這種材料既經濟又耐用，且維修和維護便宜且容易。
CF-ABS熱塑性復合材料夾芯結構隨后被用作四旋翼無人機（Quadcopter）的雙傾斜夾具部件并進行了測試。測試結果證明，生產的部件比舊的單一材料部件更為堅固耐用。圖 16 顯示了使用3D 融合沉積建模（FDM）方法打印的部分機身部件。

圖 16：由 ABS 制成的機身部件

結論
熱塑性復合材料（TPC）作為航空航天行業傳統材料的重要替代品，憑借其所提供的優勢正在逐步嶄露頭角。可回收、易成型、可焊接、輕量且耐用的熱塑性復合材料，隨著時間的推移，已成為航空航天行業重要的研究和應用課題。3D 打印技術在無人機和其他航空航天應用中與熱塑性復合材料的結合具有很好的適用性。鑒于其可回收性，這些材料似乎對于未來的項目具有很高的價值。隨著研發活動的增加，熱塑性復合材料在飛機結構中的應用應該得到進一步推廣，以便在航空和航天行業開啟一個在經濟和環境方面都有優勢的新時期。

參考資料：

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