過去的十五年中，飛機制造商一直使用熱塑性復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，來提高其韌性和耐久性。熱塑性復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍廣泛，從引擎吊架門到前緣再到橫梁和支架。
本文詳細介紹推動熱塑性復(fù)合材料在當(dāng)今航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵因素、常見的熱塑性復(fù)合材料形式，介紹了熱塑性復(fù)合材料優(yōu)缺點，以及常見的加工工藝。
01 驅(qū)動因素分析
原始設(shè)備制造商——OEM廠商最近對熱塑性塑料表現(xiàn)出了越來越大的興趣。雖然選擇熱塑性復(fù)合材料的原因很多，但一些關(guān)鍵要求助長了這一趨勢，概述起來主要包括以下三點原因：
其一，由于自動化解決方案和極低空隙熱塑性裝置的生產(chǎn)，可以在不使用高壓釜的情況下，生產(chǎn)具有極低空隙含量的熱塑性結(jié)構(gòu)。諸如Automated Dynamics、ACM/Experion、Fiberforge和Cutting Dynamics等零件和設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出獨特的機器技術(shù)，來優(yōu)化熱塑性復(fù)合材料零件的制造。
其二，由于熱塑性塑料能夠通過感應(yīng)或電阻焊接方法進行熔焊，這為通過消除緊固件來降低重量和成本提供了一種有效的方法，如Fokker Aerostructures通過使用感應(yīng)焊接生產(chǎn)Gulfstream灣流 G650商務(wù)飛機的尾翼組件，與熱固性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)的成本降低了20%，重量減輕了10%。
其三，復(fù)合材料機身的改變導(dǎo)致了金屬結(jié)構(gòu)支架的拆除以及相應(yīng)的電偶腐蝕影響。熱塑性復(fù)合材料具有優(yōu)異的阻燃性和結(jié)構(gòu)特性，熱塑性塑料還引入了具有成本效益的技術(shù)（熱成型或壓縮成型）來生產(chǎn)各種金屬支架。
此外，大多數(shù)新的自動化解決方案都需要低空隙率熱塑性預(yù)浸料，而低空隙含量的膠帶在高效的制造自動化膠帶解決方案中很有用。因此，在這一過程中，具有固有低空隙率和良好浸漬絲束的原始材料更受青睞。
02 高分子技術(shù)
半結(jié)晶態(tài)和無定形（amorphous，非晶態(tài)）是熱塑性聚合物的兩種類型。無定形熱塑性塑料不會形成晶體結(jié)構(gòu)。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（glass transition temperature，Tg）以下，聚合物分子為固體。聚合物可以在高于Tg的溫度下成型，因為有足夠的能量使分子相互移動。
與半結(jié)晶聚合物相比，非晶態(tài)熱塑性聚合物通常可以在接近其Tg的溫度下進行模塑。無定形熱塑性塑料的一個局限性在于它們對特定溶劑的抵抗力較差。
半結(jié)晶聚合物具有非晶態(tài)的區(qū)域和聚合物緊密堆積在晶格中的區(qū)域。零件成型過程中采用的冷卻速度和聚合物類型都會影響單個零件的結(jié)晶度。
目前，復(fù)合材料中使用的主要熱塑性塑料包括：
聚醚酮酮（Poly‐ether‐ketone‐ketone， PEKK）–半結(jié)晶
聚醚醚酮（Poly‐ether‐ether‐ketone，PEEK）–半結(jié)晶
聚苯硫醚（Poly‐phenylene‐sulfide，PPS）–半結(jié)晶
尼龍（Nylons）–無定形或半結(jié)晶
聚醚酰亞胺（Poly-ether‐imide，PEI）-非晶態(tài)
03 材料形式
熱塑性復(fù)合材料主要有三種材料形式。
第一類是使用普通玻璃纖維或碳纖維編織的織物預(yù)浸料，織物內(nèi)包含熱塑性樹脂。這些材料主要用于非常大的連續(xù)結(jié)構(gòu)，例如尾部升降機、襟翼和前緣等。如東麗先進復(fù)合材料公司（Toray Advanced Composites，TAC）提供的玻璃纖維或碳纖維織物，并選用PEEK、PEI、PA和PPS樹脂為基體。
第二類是增強熱塑性層壓板。這些材料是多層取向的層壓板，分為1至20層，長度從12英尺到4英尺不等。RTL層壓板經(jīng)過高溫和高壓熱成型程序以獲得高粘度熱塑性樹脂的強纖維束浸漬。在陶瓷加熱器下加熱數(shù)分鐘可實現(xiàn)層壓板快速加熱，然后移至熱成型壓力機中，在不到五分鐘的時間內(nèi)即可生產(chǎn)出復(fù)雜的零件。
第三類是熱塑性膠帶（Thermoplastic unitapes），其寬度通常從1/8英寸的狹縫帶（或短切模塑料等級）到6至12英寸度。這種材料形式的優(yōu)點是能夠使用纖維鋪放設(shè)備和自動鋪帶以獲得最佳效率。通過連續(xù)壓縮成型、膠帶鋪設(shè)或纖維膠帶原位鋪放，這種材料形式可提供更大范圍的自動化解決方案。
04 熱塑性復(fù)合材料性能優(yōu)勢
熱塑性復(fù)合材料成熟應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了，熱塑性復(fù)合材料的系列優(yōu)點如下所示：
能夠在短周期時間內(nèi)，實現(xiàn)零部件的熱成型制造。
具有優(yōu)異的抗損傷性和韌性。
水分吸收率低。
可以在室溫下儲存，這就使得可以不受時間限制而生產(chǎn)更大的結(jié)構(gòu)。
零件可以重新成型。
阻燃性。
存在零件制造替代方案，這些替代方案可以避免使用高壓釜。
空隙含量極低。
與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料的一些局限性包括如下幾個方面：
原材料的初始成本往往會更高。
加工溫度較高。
工裝模具通常具有較高的成本。
傳統(tǒng)的零件制造商可能不熟悉現(xiàn)代的熱塑性復(fù)合材料加工技術(shù)。
05 熱塑性復(fù)合材料典型特性
在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用復(fù)合材料的風(fēng)險之一是，如果零件內(nèi)部存在小缺陷，復(fù)合材料能夠抵抗裂紋擴展，并且能夠吸收能量而不會在沖擊時發(fā)生開裂。
與熱固性塑料相比，熱塑性復(fù)合材料通常具有更高的韌性。這是一個額外的好處，因為即使存在內(nèi)部損壞，復(fù)合材料也通常不會表現(xiàn)出表面損壞。
高韌性——熱塑性復(fù)合材料已被證明在典型的航空航天測試中表現(xiàn)出更高的韌性。對于復(fù)合材料而言，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部裂紋時，表面可以保持不變。因此，擁有一個能夠抵抗裂紋擴展且不易受到損壞的基體系統(tǒng)是一大好處。
室溫保存——熱塑性預(yù)浸料可以保持在室溫下，而不會降低性能，因為熱塑性復(fù)合材料無需擔(dān)心化學(xué)反應(yīng)。這消除了對冷藏運輸和冷藏的要求，而冷藏往往會使熱固性復(fù)合材料的物流變得更加復(fù)雜。由于不用考慮超時時間，因此也可以使用更復(fù)雜的零件。
再成型——熱塑性材料可以重新成型加工，因為熱塑性樹脂可以多次冷卻和加熱而不會影響性能。使用后的零件可以分解，并用作壓縮成型或注射成型等替代工藝的原料。
更高的加工溫度——使用熱塑性復(fù)合材料時，一個要考慮的問題是要求在明顯高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下加工聚合物。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度通常被視為聚合物的使用溫度。下表總結(jié)了各種熱塑性聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和工藝溫度。
06 常見成型工藝
自動化工藝的新發(fā)展正在降低制造熱塑性零件的成本。這些發(fā)展?jié)M足了復(fù)合材料工業(yè)降低復(fù)合材料零件加工成本的需求。由于熱塑性塑料的性質(zhì)，目前有許多此類技術(shù)可用于有效且經(jīng)濟地生產(chǎn)零件，熱塑性塑料可在加工溫度下迅速形成。
由于不進行化學(xué)反應(yīng)，因此標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性塑料固化循環(huán)要求材料保持在加工溫度下，直到整個零件達到加工溫度為止。一臺壓力機可用于將許多熱塑性塑料成型，并具有高效的循環(huán)時間。不同公司正在生產(chǎn)幾種自動化工藝來以優(yōu)化熱塑性零件的質(zhì)量和制造速度。最廣泛且普遍的成型技術(shù)包括以下幾個方面：
6.1 自動纖維鋪放和膠帶鋪放
不少制造商正在使用縫隙帶和熱塑性復(fù)合材料絲束來生產(chǎn)零件，將膠帶在一定的溫度和壓力下放置在工具或心軸上，在放置過程中使材料固化，這意味著不需要其他處理。
纖維自動鋪放
由于該過程中工藝壓力相對較低，因此至關(guān)重要的是，該過程中使用的單元膠具有非常低的空隙率。
6.2 熱成型
熱塑性復(fù)合材料的熱成型類似于通常用于非增強塑料的熱成型程序。固化的熱塑性層壓板通常使用紅外線加熱器加熱到加工溫度，該加熱器需要幾秒鐘到幾分鐘才能將零件加熱到所需的溫度。將其移至沖壓工位，在此使用陰模和陽模進行零件成型。零件成形過程的總持續(xù)時間通常少于5分鐘。
自動化生產(chǎn)裝置
可以使用機械有效地鋪設(shè)熱塑性塑料帶，其纖維方向在設(shè)計中規(guī)定。使用局部加熱源將簾布層粘合在一起，隨后的坯料被壓制并熱成型成零件。
6.3 連續(xù)壓縮成型（CCM）
CCM（Continuous Compression Molding）是一種半連續(xù)的自動化制造技術(shù)，能夠吸收熱塑性復(fù)合材料并制造幾乎無限制長度的平板或高度成型的型材。
CCM工藝主要優(yōu)勢在于具有更高的生產(chǎn)力，更高的質(zhì)量和尺寸一致性，而且能夠節(jié)約能源。
CCM工藝具有更高的質(zhì)量一致性
07 結(jié)束語
目前，在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料領(lǐng)域有多種材料可供選擇，但復(fù)合材料行業(yè)正致力于尋找一種具有成本效益的制造方法，來幫助降低零件的總成本，降低成本其中的一個關(guān)鍵重點是在不使用高壓釜的情況下制造零件。
用熱塑性聚合物增強的復(fù)合材料為制造工程師和設(shè)計師提供了一系列不同的工藝，使零件能夠可靠、快速地生產(chǎn)出來。憑借高韌性、室溫存儲、幾乎無限的保質(zhì)期、通過焊接將結(jié)構(gòu)結(jié)合的能力以及現(xiàn)代自動化技術(shù)等優(yōu)勢，熱塑性復(fù)合材料將繼續(xù)在越來越多的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。
