國外熱塑性復(fù)合材料工程應(yīng)用現(xiàn)狀

劉 彬，安衛(wèi)龍，倪楠楠

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2. 中國人民解放軍32302部隊(duì)50分隊(duì)，北京100043；3. 江蘇三強(qiáng)復(fù)合材料有限公司，常州 213127）

近年來，以熱塑性樹脂為基體的纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料發(fā)展迅猛，在世界范圍內(nèi)正掀起一股研究開發(fā)此類高性能復(fù)合材料的高潮。熱塑性復(fù)合材料是指以熱塑性聚合物（如聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚酮酮（PEKK）和聚醚醚酮（PEEK）等）為基體，以各種連續(xù)/不連續(xù)纖維（如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等）為增強(qiáng)材料而制成的復(fù)合材料。

1 熱塑性樹脂基體和增強(qiáng)材料

1.1 熱塑性基體

熱塑性樹脂根據(jù)力學(xué)性能和耐溫等級(jí)的不同可按照?qǐng)D1進(jìn)行分類[1]。目前，應(yīng)用到航空領(lǐng)域的熱塑性樹脂主要是耐高溫、高性能的樹脂基體，包括PEEK、PPS和PEI。其中，無定形的 PEI 由于具有更低的加工溫度及加工成本，比半結(jié)晶的 PPS 及高成型溫度的 PEEK 在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用更多。常用熱塑性基體的主要性能參數(shù)如表1所示。與熱固性樹脂相比，熱塑性樹脂具有更好的力學(xué)性能和化學(xué)耐腐蝕性、更高的使用溫度、高比強(qiáng)度和硬度、優(yōu)異的斷裂韌性和損傷容限、優(yōu)良的耐疲勞性能、能夠模塑成型復(fù)雜幾何形狀和結(jié)構(gòu)、可調(diào)的導(dǎo)熱性、可回收性、在惡劣環(huán)境的穩(wěn)定性好、可重復(fù)成型、可焊接和修補(bǔ)等特點(diǎn)。由熱塑性樹脂與增強(qiáng)材料組成的復(fù)合材料具有耐久性、高韌性、高抗沖擊和損傷容限；纖維預(yù)浸料不必再低溫存放，無限預(yù)浸料存儲(chǔ)期；成型周期短、可焊接、生產(chǎn)效率高、易修復(fù)；廢品可回收再利用；產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度大，可制成復(fù)雜形狀、成型適應(yīng)性廣等眾多優(yōu)點(diǎn)[2-5]。

表1 常用熱塑性基體的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of thermoplastic substrates commonly used

圖1 不同性能的熱塑性樹脂F(xiàn)ig.1 Thermoplastic resins with different properties

1.2 增強(qiáng)材料

熱塑性復(fù)合材料性能不僅取決于樹脂、增強(qiáng)纖維的性能，還與纖維的增強(qiáng)方式密切相關(guān)，熱塑性復(fù)合材料的纖維增強(qiáng)方式有短纖維增強(qiáng)、長纖維增強(qiáng)和連續(xù)纖維增強(qiáng)3種基本形式，如圖2所示[6]。

圖2 熱塑性復(fù)合材料的3類增強(qiáng)材料Fig.2 Three types of reinforcement materials of thermoplastic composites

1.2.1 短纖維增強(qiáng)

一般來說，短纖維增強(qiáng)纖維的長度為0.2～0.6mm，由于大多數(shù)纖維的直徑小于70μm，所以短纖維看起來更像是粉末。短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料一般將纖維混合到熔融熱塑性塑料中制造?；|(zhì)中的纖維長度和隨機(jī)取向使得實(shí)現(xiàn)良好的潤濕相對(duì)容易，與長纖維和連續(xù)纖維增強(qiáng)材料相比，短纖維復(fù)合材料最容易制造，但機(jī)械性能改善最小。短纖維復(fù)合材料傾向于通過模塑或擠出方法形成最終部件，因?yàn)槎汤w維對(duì)流動(dòng)性影響較小。

1.2.2 長纖維增強(qiáng)

長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維長度一般約20mm，通常采用連續(xù)纖維浸潤樹脂后切割成一定的長度后制備。一般使用的工藝是拉擠成型工藝，即通過特殊的成型模具拉伸纖維和熱塑性樹脂混合的連續(xù)粗紗產(chǎn)生。過程中模具加熱和加壓熔化樹脂材料，并使其在纖維周圍流動(dòng)，確保適當(dāng)?shù)臐櫇?，完成后將充分混合的纖維冷卻，然后切割成所需的長度。為了制成最終部件，長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料短切料通常用于壓塑或擠壓成型工藝，將短切料放入模具中，模具被加熱和加壓。因?yàn)檩^長的纖維抑制流動(dòng)使其難以填充模具的所有部分，因此制造工藝相對(duì)困難，然而相比短纖維增強(qiáng)，對(duì)機(jī)械性能的提升更加明顯。目前，長纖維增強(qiáng)PEEK熱塑性復(fù)合材料通過FDM打印成型的結(jié)構(gòu)性能可達(dá)到200MPa以上,模量能夠達(dá)到20GPa以上，通過注塑成型性能會(huì)更好。

1.2.3 連續(xù)纖維增強(qiáng)

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維是“連續(xù)的”， 長度從幾米到幾千米不等，連續(xù)纖維復(fù)合材料一般主要提供層壓板、預(yù)浸帶或編織物等，通過用所需的熱塑性基體浸漬連續(xù)纖維形成。其中，連續(xù)纖維復(fù)合預(yù)浸帶厚度為0.127～0.762mm，寬度為1.6mm至上百毫米，通常使用較寬的預(yù)浸帶切割成所需寬度用于最終加工。

纖維長度對(duì)于復(fù)合材料的性能影響很大，基本上是纖維長度越長，越有利于材料性能的提高，纖維長度對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可以從兩個(gè)方面來理解： （1）在小于臨界長度情況下，隨著纖維長度的增加，其與樹脂的界面面積增大，復(fù)合材料斷裂時(shí)，纖維從樹脂中抽出的阻力增大，從而提高了承受載荷的能力； （2）在部分纖維長度達(dá)到臨界長度情況下，當(dāng)復(fù)合材料斷裂時(shí)伴隨著更多纖維的斷裂，同樣使承受載荷的能力提高。

2 熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型方法

圖3為典型的熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)品成形過程，從原材料到預(yù)浸料到片材，再熱壓成零件后通過焊接等裝配成形[7-9]。

圖3 熱塑性復(fù)合材料典型成形過程Fig.3 Typical forming process of thermoplastic composite

目前，針對(duì)熱塑性復(fù)合材料的成型方法主要有注射成型、擠出成型、鋪放、熱壓以及增材制造（如FDM）等。以下主要介紹國外使用范圍較廣的成形技術(shù)：自動(dòng)鋪放原位固化成型、熱壓成型、增材制造成形技術(shù)[7-9]。

2.1 自動(dòng)鋪放原位固化成型

自動(dòng)鋪放技術(shù)是國外研究的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)化成型的關(guān)鍵制造技術(shù)之一，不僅適用于平面型或低曲率的曲面型，而且還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面型的鋪層與制造。該技術(shù)能夠?qū)⒃鰪?qiáng)纖維從0°（軸向）定向到90°（環(huán)箍）和其間的任何位置。通過將連續(xù)纖維放置在需要的方向上以獲得高質(zhì)量、高性能部件的最佳強(qiáng)度和剛度。自動(dòng)鋪放適用于尺寸較大、形狀相對(duì)較復(fù)雜的零件。

自動(dòng)鋪放技術(shù)原理是鋪放頭按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以一定的角度輸送預(yù)浸絲/預(yù)浸帶，并通過恒定速率的壓輥壓在模具表面，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料鋪疊自動(dòng)成型[10]。在鋪放過程中，每一層首先使用加熱裝置加熱預(yù)浸絲/預(yù)浸帶，然后用壓輥對(duì)預(yù)浸絲/預(yù)浸帶施加壓力，預(yù)浸絲/預(yù)浸帶在高溫高壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)原位固化。圖4和5分別為鋪放原位固化成形過程原理和Automated Dynamics公司生產(chǎn)魚鷹飛機(jī)零件[10]。

圖4 鋪放過程原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of laying process

2.2 熱壓成型

熱壓成型也是國外研究的熱塑性復(fù)合材料成型主要的方法之一，按照所用的設(shè)備不同又可以分為模壓成型、雙膜成型、熱壓罐成型和真空袋成型。其基本工藝過程是先將預(yù)浸料裁剪鋪疊后，放入模具中升溫加熱，待升溫至成型溫度后，通過不同的加壓設(shè)備與模具對(duì)預(yù)浸料鋪層進(jìn)行加壓，得到最終滿足形狀要求的制件。圖6為熱塑性復(fù)材制品模壓成型的原理圖和空客A350模壓成型零部件[11]。

圖6 模壓成型原理圖和空客A350模壓成型熱塑性復(fù)材零件Fig.6 Schematic diagram of mould processing and thermoplastic parts of Airbus 350 by mould pressing

熱壓成型效率高，適合自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)，一般生產(chǎn)一個(gè)零件的時(shí)間＜3min，甚至在1min以內(nèi)，因此工業(yè)界普遍看好，并重點(diǎn)研究發(fā)展的低成本、規(guī)模化制造技術(shù)。

2.3 包覆成型

包覆成型（Over-moulding，OM）技術(shù)是集熱壓技術(shù)與注塑技術(shù)為一體的近凈成形技術(shù)，該技術(shù)也是國外研究的一個(gè)重要發(fā)展方向。技術(shù)原理是首先通過熱壓技術(shù)完成產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)成形，然后通過注塑技術(shù)完成加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)成形。該技術(shù)目前主要難點(diǎn)是如何處理好熱壓成形與注塑成形的界面強(qiáng)度，如何保證尺寸精度，通過數(shù)字模擬的方法優(yōu)化工藝，減小因?yàn)閼?yīng)力引起的彎曲變形。圖7[12]為包覆成型的原理示意圖和德國ENGEL公司采用包覆成型技術(shù)制備的復(fù)合材料殼體[12]。

圖7 包覆成型原理圖和包覆成型熱塑性零件Fig.7 Schematic diagram of over-moulding and thermoplastic part by over-moulding

2.4 增材制造成型

圖5 Automated Dynamics公司生產(chǎn)魚鷹飛機(jī)零件Fig.5 V22 aircraft parts produced by Automated Dynamics

熱塑性復(fù)合材料增材制造技術(shù)主要包括短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料增材制造與連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料增材制造。目前，采用增材制造成型的純PEEK結(jié)構(gòu)，拉伸強(qiáng)度在90±5MPa左右，而經(jīng)過纖維加強(qiáng)的PEEK材料目前采用FDM增材制造工藝，拉伸強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到200MPa以上，彈性模量達(dá)到20GPa以上[13-14]，完全具備在次承力構(gòu)件中應(yīng)用的條件，甚至可以取代部分鋁合金材料構(gòu)件，從而減輕重量。

2016年，德國增材制造裝備生產(chǎn)商Envision TEC推出SLCOM1工業(yè)熱塑性復(fù)合材料3D打印機(jī)，是目前國外市場第1個(gè)也是唯一的工業(yè)熱塑性增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印機(jī)，如圖8所示[15]。該設(shè)備采用選擇性層壓技術(shù)來打印復(fù)合構(gòu)件，打印產(chǎn)品尺寸范圍為610mm×760mm×610mm。SLCOM1可以處理各種定制的熱塑性增強(qiáng)單向或多向編織纖維，以滿足客戶產(chǎn)品的性能需求?？梢蕴幚淼膹?fù)合材料包括編織玻璃纖維、編織碳纖維等增強(qiáng)的尼龍6、尼龍11、尼龍12、PEEK、PEKK等，可以定制出適用于航空航天、汽車、應(yīng)用醫(yī)療等領(lǐng)域的高品質(zhì)3D打印件。產(chǎn)品具有卓越的韌性、耐環(huán)境性、抗振動(dòng)性、低可燃性特性、高耐磨性和高強(qiáng)度重量比等特性。Envision TEC 公司采用增材制造工藝制備的熱塑性零部件如圖9所示[16]。此外，使用 3D 薄膜打印而不是細(xì)絲打印可以更高效地生產(chǎn)熱塑性薄膜。科思創(chuàng)在2018年11 月法蘭克福國際精密成型及3D 打印制造展上展示了這種最新研發(fā)成果。除了打印效率的改進(jìn)，隨著對(duì)3D打印技術(shù)研究的深入，亟待提出更靈活控制軌跡算法，開發(fā)出適合特殊結(jié)構(gòu)、性能更優(yōu)的打印控制軟件，通過打印工藝的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)打印熱塑性復(fù)合材料中纖維的有序、定量控制和多功能材料的混合，以及各部分結(jié)構(gòu)造型的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)CFRTPCs 3D 打印制件的可制造性。胡記強(qiáng)[16]設(shè)計(jì)了一種新型的打印形式，集合了拉擠-加熱擠壓等模塊，將熱塑性材料與纖維經(jīng)過多次的固結(jié)熔融過程，可以將孔隙率降至原來的80%以下，制備了點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)。Ibrahim等[17]使用改進(jìn)后的 Markforged 公司的打印機(jī)及0.4mm線材打印成型矩形、菱形、蜂窩狀和近圓形夾心結(jié)構(gòu)，利用纖維張力實(shí)現(xiàn)架空蒙皮區(qū)域的打印，通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明菱形夾心結(jié)構(gòu)抗彎能力最為突出。Sugiyama等[18]使用1.75mm聚乳酸線材+干碳纖維快速打印制成以連續(xù)碳纖維為傳感元件的自感知智能結(jié)構(gòu)件，其可通過碳纖維電阻的變化監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和損傷情況，同時(shí)也兼具結(jié)構(gòu)加固和結(jié)構(gòu)健康檢測的雙重功能。

圖8 SLCOM1熱塑性復(fù)合材料3D打印機(jī)Fig.8 SLCOM1 thermoplastic composite 3D printer

圖9 增材制造的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件Fig.9 Thermoplastic composite parts by additive manufacturing

3 熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)

由于熱塑性聚合物分子鏈不含有產(chǎn)生鏈間化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)，其在加熱過程中僅僅發(fā)生加熱變軟和冷卻變硬的物理變化，熱塑性材料在成型后依舊可以熔融，因此可以采用再次熔融并加壓的方法達(dá)到熱塑性零件的連接，即熱塑性復(fù)合材料焊接[19]。

目前，國外常用的焊接技術(shù)有電阻焊接（Resistance welding，RW）、超聲焊接（Ultrasonic welding，UW）、感應(yīng)焊接（Induction welding，IW），這3種焊接工藝的對(duì)比情況如表2所示。

表2 熱塑性聚合物不同焊接方法的對(duì)比Table 2 Comparison of different welding methods for thermoplastic polymers

3.1 電阻焊接

電阻焊接采用電阻絲/金屬網(wǎng)條等焊接元件布置在被焊接界面處，通電使電阻絲/金屬網(wǎng)條發(fā)熱并熔融界面，試壓即可完成熔融焊接。焊接完成后金屬網(wǎng)條（厚約0.2mm）保留在焊接面中。焊接過程中只在需要的地方，即在兩個(gè)表面之間的接合處布置電阻絲/金屬網(wǎng)條，這限制了材料熔體區(qū)域，減少了部件形狀或尺寸穩(wěn)定性受到損害的風(fēng)險(xiǎn)。電阻焊接的原理如圖10所示[19]，電阻加熱焊接時(shí)，在兩個(gè)焊件的待焊表面之間放置植入式加熱元件，加熱元件上有電流通過時(shí)，由于焦耳效應(yīng)而產(chǎn)生熱量，傳遞到周圍接頭界面，引起樹脂熔化。在壓力作用下形成焊接接頭。電阻焊接工藝成熟，適應(yīng)性強(qiáng)，且可以自動(dòng)化生產(chǎn)，適用于焊接大型結(jié)構(gòu)。電阻焊接實(shí)例及焊接界面如圖11所示[19]。此外，熱塑性復(fù)合材料焊接后融合為一體，結(jié)合強(qiáng)度高，可以取代熱固性復(fù)合材料的鉚接、螺接等，減輕重量，降低成本。但是焊接完成后會(huì)在界面處有殘留物，處理不當(dāng)易使接頭處出現(xiàn)應(yīng)力集中、電化學(xué)腐蝕等現(xiàn)象。

圖10 電阻焊接原理圖Fig.10 Schematic diagram of resistance welding

2016年，AGC航空復(fù)合材料公司與英國復(fù)材中心、TenCate先進(jìn)復(fù)合材料公司合作在美國國家航空航天技術(shù)開發(fā)計(jì)劃（NATEP）與勞斯萊斯的資助下成功完成了CoFusion項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在通過優(yōu)化創(chuàng)新低成本熱塑性復(fù)合材料電阻焊接工藝來提高其生產(chǎn)效率和適用性。CoFusion項(xiàng)目表明，通過采用不包含金屬網(wǎng)或嵌件的電阻復(fù)合焊接元件可以可靠地將碳/聚苯硫醚（PPS）復(fù)合熱成型部件焊接在一起，形成復(fù)雜的組件，并且由此產(chǎn)生的焊接組件具有一致的高強(qiáng)度和疲勞性能。如圖11所示，通過對(duì)焊接與鉚接的夾芯板進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和疲勞測試對(duì)比發(fā)現(xiàn)，焊接部件具有較高的剛度和較高的強(qiáng)度，達(dá)到鉚接部件的5倍。焊接部件的疲勞性能也顯著優(yōu)異，與僅能承受5×104次循環(huán)的鉚接部件相比，在3.5×105次循環(huán)中沒有損壞[20]，通過焊接界面可以看出，焊接區(qū)域沒有空隙，沒有夾雜金屬，沒有材料降解，完全融合。

圖11 電阻焊接實(shí)例Fig.11 Example of resistance welding

3.2 感應(yīng)焊接

感應(yīng)焊接是一種特殊的焊接工藝，它由感應(yīng)線圈產(chǎn)生高頻電磁場，置于焊接界面處的焊接感應(yīng)材料則因此產(chǎn)生渦流電流并發(fā)熱，將界面熔融，在壓力作用下達(dá)到焊接的目的。感應(yīng)焊接特別適用于碳纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的焊接。因?yàn)樘祭w維可導(dǎo)電，能夠通過感應(yīng)線圈產(chǎn)生渦流電流而發(fā)熱，因此焊接碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料無需引入額外的感應(yīng)材料，只需要在被焊接界面處某一側(cè)采用碳纖維織物預(yù)浸料鋪貼制造即可，若非導(dǎo)電纖維，則在界面處放置導(dǎo)電網(wǎng)即可，可以是碳纖維也可以是金屬網(wǎng)[21]。感應(yīng)焊接的原理如圖12所示[21]，感應(yīng)焊接優(yōu)點(diǎn)是感應(yīng)線圈與感應(yīng)材料無直接接觸，且非感應(yīng)區(qū)不會(huì)有熱量產(chǎn)生，因此參數(shù)合理設(shè)置后，焊接較為準(zhǔn)確且不易產(chǎn)生變形和多余的樹脂流動(dòng)，此外感應(yīng)焊接效率較高，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接，適合于長焊縫且可以焊接不規(guī)則及形狀比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。感應(yīng)焊接也是人為因素介入較少的焊接技術(shù)，可靠性較高，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。感應(yīng)焊接的蒙皮桁條結(jié)構(gòu)如圖13所示[22]，感應(yīng)焊接時(shí)，焊接面上的溫度分布是否均勻是影響連接性能最重要的因素之一，主要取決于植入感應(yīng)元件的形狀和感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)。感應(yīng)焊接缺點(diǎn)是植入材料不易制作，而且焊接感應(yīng)元件的引入直接影響接頭強(qiáng)度和電氣性能。目前，感應(yīng)焊接的研究主要在復(fù)合材料中的碳纖維對(duì)焊接面溫度場分布的影響規(guī)律以及焊接接頭的可靠性等方面。

圖12 感應(yīng)焊接原理圖Fig.12 Schematic diagram of induction welding

圖13 感應(yīng)焊接蒙皮桁條結(jié)構(gòu)Fig.13 Skin string structure by induction welding

3.3 超聲焊接

超聲焊接一般采用20kHz以上的高頻機(jī)械波振動(dòng)焊接界面，使熱塑性材料表面分子鏈之間產(chǎn)生熱量而熔融界面，在施加壓力的條件下便可完成超聲焊接。如圖14所示[23]，空客飛機(jī)地板的鑲嵌件使用超聲焊接制備。高性能碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能大大高于純樹脂，同時(shí)PEEK多為半結(jié)晶性材料，這種材料在超過熔點(diǎn)以上時(shí)在超聲場中的生熱能力大大下降，更容易導(dǎo)致熔膜產(chǎn)生后在鋪展之前就出現(xiàn)凝固，從而影響焊接質(zhì)量。超聲焊接速度快、周期短，但是一次焊接面積小，不適合長焊縫的焊接，點(diǎn)焊應(yīng)用較多。此外，先進(jìn)的超聲焊接設(shè)備可全面控制和監(jiān)控焊接的過程，使得焊接工藝很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，尤其適用于批量生產(chǎn)。目前，超聲波焊接研究方向有通過優(yōu)化“導(dǎo)能筋”的形狀獲得高強(qiáng)度接頭；通過實(shí)時(shí)控制振幅和壓力提高接頭質(zhì)量；采用雙頻率超聲波焊機(jī)提高焊接界面處的生熱效率，縮短焊接時(shí)間，減輕超聲波對(duì)復(fù)合材料的破壞[23]。

小學(xué)體育教學(xué)的示范動(dòng)作，學(xué)生光靠課堂上的簡單模仿是學(xué)不會(huì)的，還要經(jīng)過學(xué)生的思維加工確定正確的動(dòng)作概念并反復(fù)練習(xí)后方能完全掌握，在此過程中，老師要結(jié)合學(xué)生的動(dòng)作熟練程度，適時(shí)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行示范和講解，指導(dǎo)和糾正學(xué)生錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)姿勢，讓學(xué)生在已有的基礎(chǔ)上不斷完善自己的動(dòng)作技能，有效地提高動(dòng)作示范的課堂效果。

圖14 超聲焊接空客飛機(jī)地板的鑲嵌件Fig.14 Inlay of Airbus aircraft floor by ultrasonic welding

4 國外熱塑性復(fù)合材料工程應(yīng)用情況

國外航空航天工業(yè)已經(jīng)大量使用熱塑性復(fù)合材料，從碳纖維/PEEK的F-22起落架艙門、油箱口蓋，到A380碳纖維/PPS機(jī)翼前緣、翼肋、連接角片、方向舵、起落架桁條以及碳纖維/PEI夾層結(jié)構(gòu)、貨倉壁板、機(jī)身結(jié)構(gòu)、聲學(xué)結(jié)構(gòu)、航天衛(wèi)星結(jié)構(gòu)等各領(lǐng)域都在大規(guī)模使用[24]。

4.1 G650的垂直尾舵

熱塑性復(fù)合材料在灣流G650公務(wù)機(jī)上的應(yīng)用對(duì)熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用是一個(gè)里程碑，壓力隔框肋板使用了碳纖維/PEI材料，方向舵和升降舵都使用了碳纖維/PPS材料。如圖15所示[25]，灣流G650尾舵由Fokker航空公司制造，筋骨與梁均采用TenCate公司碳纖維/PPS熱塑性復(fù)合材料壓板（RTL）熱壓成型，連接鉸鏈采用鈦合金3D打印制造。面板與肋、梁采用KVE公司的感應(yīng)焊接技術(shù)焊接為整體結(jié)構(gòu)，焊接過程能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，如圖16所示[25]，一次性將3組肋與3組梁焊接到蒙皮。復(fù)合材料與金屬界面的連接采用鉚接和螺栓方式，標(biāo)志著民機(jī)主控制面采用熱塑性復(fù)合材料的時(shí)代已經(jīng)到來。方向舵和升降舵的碳纖維/PPS多肋結(jié)構(gòu)比常規(guī)的碳纖維/環(huán)氧三明治結(jié)構(gòu)輕10%、便宜20%，利用先進(jìn)的感應(yīng)焊接技術(shù)替代膠接和鉚接是一個(gè)重要的成本削減因素。

圖15 Gulfstream G650的垂直尾舵及其蒙皮和翼盒Fig.15 Vertical tail and its skin, wing box of Gulfstream G650

圖16 Fokker公司感應(yīng)焊接工廠和感應(yīng)焊接過程Fig.16 Fokker induction welding plant and induction welding process

4.2 空客飛機(jī)

A380研制過程中前所未有的規(guī)模以及嚴(yán)格的重量目標(biāo)，使其大量采用熱塑性復(fù)合材料。A380翼前緣采用了PPS熱塑性復(fù)合材料，每個(gè)A380包括16個(gè)前緣組件，每個(gè)組件在3～4m，每個(gè)組件包括前緣蒙皮與內(nèi)部加強(qiáng)筋條。得益于Stork Fokker第2代電阻焊接技術(shù)的發(fā)展，通過優(yōu)化焊接網(wǎng)改善溫度分布，更加完善的焊接工具與優(yōu)化的焊接接頭使得焊接剝離強(qiáng)度更高，因此在A380前緣設(shè)計(jì)工程中，通過前緣內(nèi)部加強(qiáng)筋條的優(yōu)化，最終減少了筋條數(shù)量，減輕了20%以上的質(zhì)量[26]。

其中，翼前緣蒙皮采用自動(dòng)鋪放成型技術(shù)，而加強(qiáng)筋與肋采用玻璃纖維/PPS薄膜“半預(yù)浸料”層壓板（每塊板由5層預(yù)浸料組成）熱壓成形。通過電阻焊接技術(shù)將筋條與蒙皮焊接在一起形成前緣組件，然后組件之間通過機(jī)械連接形成整個(gè)機(jī)翼，前緣組件及電阻焊接過程如圖17所示[26]。

圖17 翼前緣組件及其電阻焊接過程Fig.17 Front edge assembly of wing and its resistance welding process

A380發(fā)動(dòng)機(jī)塔架蓋由Daher公司使用碳纖維/PPS層壓板熱壓成形，A380兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)共含50個(gè)塔架蓋面板。

Daher-Socata工廠為新一代空客飛機(jī)A350XWB提供最多的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件為機(jī)身與加強(qiáng)筋連接的角片。角片形狀多種多樣，但是一般各方向尺寸均小于203mm，如圖18所示[26]。大部分角片材料為TenCate提供的層壓板預(yù)浸料碳纖維/ PPS,還有部分Daher-Socata公司生產(chǎn)的碳纖維/ PEEK。所有角片采用加熱、轉(zhuǎn)移、沖壓成型的完全自動(dòng)化生產(chǎn)，每架飛機(jī)大致需要8000個(gè)?？湛陀?jì)劃每月生產(chǎn)不少于10架該型飛機(jī)，Daher-Socata 公司為其每月生產(chǎn)15000個(gè)。

圖18 角片及安裝結(jié)構(gòu)Fig.18 Angle piece and its installation structure

Daher-Socata工廠制造的最大的熱塑性結(jié)構(gòu)件是A400M軍用運(yùn)輸機(jī)的駕駛艙地板，尺寸為3.048m×3.048m，如圖19所示[26]，由250個(gè)熱塑性復(fù)合材料零件通過金屬緊固件裝配而成，目前正在探討通過焊接來替代緊固件，實(shí)現(xiàn)節(jié)省重量、降低成本的目標(biāo)。目前熱塑性復(fù)合材料最大問題是材料成本問題，該廠已經(jīng)與Cytec工業(yè)和TenCate以及日本的其他供應(yīng)商合作，商討降低高性能熱塑性復(fù)合材料成本，提高應(yīng)用比例問題。此外，空客A400M軍用運(yùn)輸機(jī)為了保護(hù)機(jī)身側(cè)面與螺旋槳尖端不受來自螺旋槳撞擊的大塊冰塊造成的損壞，設(shè)置了防冰板，其采用玻璃纖維增強(qiáng)PPS熱塑性復(fù)合材料制造而成，具有優(yōu)異的抗沖擊性和非常好的耐化學(xué)性（除冰和液壓/去污液），如圖20所示[26]。

圖19 A400M駕駛艙地板Fig.19 A400M cockpit floor

圖20 A400M防冰板Fig.20 A400M anti-icing board

4.3 Arches Box TP 熱塑性復(fù)合材料示范結(jié)構(gòu)

圖21 Arches Box TP 熱塑性復(fù)合材料示范結(jié)構(gòu)Fig.21 Demonstration structure of thermoplastic composite of Arches Box TP

STELIA Aerospace公司作為航空結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要參與者，為了能夠更好地滿足客戶需求，在下一代單通道飛機(jī)機(jī)身上使用熱塑性復(fù)合材料，STELIA Aerospace公司聯(lián)合Porcher Industries、AVIACOMP、CETIM等公司開展了在CORAC平臺(tái)內(nèi)的Arches Box TP項(xiàng)目（2015～2017年），兩年內(nèi)投入了數(shù)百萬歐元，并開發(fā)了一個(gè)通用的熱塑性復(fù)合材料示范結(jié)構(gòu)，可以在實(shí)際的工業(yè)環(huán)境中對(duì)其中涉及的技術(shù)進(jìn)行內(nèi)部評(píng)估。該項(xiàng)目涉及的熱塑性樹脂包括高性能的PEEK、PEKK、PPS等，主要驗(yàn)證技術(shù)及其示意圖如表3所示。

表3 Arches Box TP項(xiàng)目驗(yàn)證技術(shù)列表Table 3 List of validation technologies of Arches Box TP project

4.4 NASA航天器（SMAP）的網(wǎng)狀反射器

2015年美國宇航局發(fā)射的全球土壤水分測量航天器（SMAP），如圖22所示[28]，大量使用了熱塑性復(fù)合材料。該航天器的可展開網(wǎng)狀反射器由諾斯羅普·格魯曼公司Astro Aerospace采用TenCate熱塑性復(fù)合材料制造而成。該反射器為拋物面形狀設(shè)計(jì)，φ6m，包括一個(gè)圓形碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）桁架，表面附上金屬加強(qiáng)網(wǎng)，反射體由具有高剛度和強(qiáng)度的芳綸強(qiáng)化PEI拉擠成型制成，通過超聲波點(diǎn)焊焊接在其交叉點(diǎn)加強(qiáng)網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)了輕量化、高強(qiáng)度、耐疲勞的特性[28]。

圖22 SMAP航天器與網(wǎng)狀反射器Fig.22 Spacecraft and reticular reflectors of SMAP

4.5 其他領(lǐng)域

目前，除了航空航天領(lǐng)域，熱塑性復(fù)合材料在汽車行業(yè)、石油化工行業(yè)等也有使用，尤其是汽車行業(yè)，是熱塑性復(fù)合材料大規(guī)模使用的重要領(lǐng)域，目前LFT（Long fiber reinforced thermoplastics）已在汽車防撞梁、前端模塊、儀表盤骨架、車門中間承載板、電瓶箱、座椅骨架板、備胎倉以及車底部護(hù)板等結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用[29]。如圖23和24所示[29]，捷豹X760發(fā)動(dòng)機(jī)油盤、BMW汽車車門與前引擎蓋均使用熱塑性復(fù)合材料。此外，澳大利亞一家碳纖維技術(shù)公司在2012年美國拉斯維加斯舉行的國際汽車零配件展覽會(huì)（SEMA）上推出的世界上第1個(gè)整體式碳纖維輪轂，這種CR-9碳纖維輪轂每個(gè)僅重6.81～8.17kg，其質(zhì)量比合金輪轂輕 40%～50%。Smart公司的全塑復(fù)合材料車輪采用長纖維增強(qiáng)聚酰胺熱塑性復(fù)合材料，通過注塑成型工藝制備。無論從加工成本還是成型效率來講，這種熱塑性復(fù)合材料的注塑成型都更具優(yōu)勢[30]。

圖23 采用包覆成型捷豹X760發(fā)動(dòng)機(jī)油盤Fig.23 Engine oil pan of Jaguar X760 by over-moulding

圖24 BMW汽車熱塑性復(fù)合材料車門與前引擎蓋Fig.25 Thermoplastic composite doors and front hood of BMW cars

5 結(jié)論

熱塑性復(fù)合材料在國外已經(jīng)開始成規(guī)模使用，以TenCate、Victrex等為代表的材料提供商，以Automated Dynamics為代表的自動(dòng)化裝備提供商，以KVE、TPRC、FOKKER等為代表的制造研究單位，以空客、波音等為代表的航空應(yīng)用企業(yè)，已經(jīng)成體系發(fā)展，技術(shù)日益完善。目前熱塑性復(fù)合材料發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)與研究方向有以下5個(gè)方面。

（1）提高主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用比例。當(dāng)前國外熱塑性復(fù)合材料多數(shù)用于次承力結(jié)構(gòu)，主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用相對(duì)較少。根據(jù)歐盟啟動(dòng)的熱塑性經(jīng)濟(jì)可承受性航空主結(jié)構(gòu)（TAPAS）項(xiàng)目，將進(jìn)一步增加熱塑性復(fù)合材料在當(dāng)前和未來飛機(jī)上的應(yīng)用比例，尤其是下一代飛機(jī)機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

（2）降低以PEEK為代表的高性能熱塑性復(fù)合材料原材料成本。目前，PEEK等高性能樹脂熔點(diǎn)溫度高、黏性大、預(yù)浸料制作工藝復(fù)雜是造成原材料成本高的主要原因。主要通過優(yōu)化制造成型工藝和與客戶合作提高產(chǎn)量來降低成本，以及開發(fā)新的質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的材料（如PAEK）等。

（3）大規(guī)模應(yīng)用的挑戰(zhàn)（如汽車行業(yè)）。如何大規(guī)模生產(chǎn)質(zhì)量可靠無缺陷的產(chǎn)品即生產(chǎn)過程的可靠性、穩(wěn)健性；成熟完善的供應(yīng)鏈系統(tǒng)的建設(shè)；整個(gè)生產(chǎn)流程的成本控制問題，如車間改造、自動(dòng)化生產(chǎn)線的建立、原材料貯存等；基于不同熱塑性復(fù)合材料的性能特點(diǎn)的設(shè)計(jì)水平提升等。

（4）完善成型工藝。對(duì)于自動(dòng)鋪放原位固化工藝，尤其是高性能熱塑性樹脂復(fù)合材料，主要通過優(yōu)化工藝、改善加熱方法（如PEEK基復(fù)合材料鋪放溫度需達(dá)到400℃級(jí)別）等提高鋪放速度。對(duì)于包覆成型，繼續(xù)提高注射成型與沖壓件之間的界面結(jié)合強(qiáng)度等。對(duì)于焊接工藝（電阻焊接和感應(yīng)焊接），主要是完善焊接元件及工藝，減小甚至消除因工藝方法產(chǎn)生的界面殘留物，提高焊接性能，并繼續(xù)開發(fā)適宜PEEK等高性能產(chǎn)品的焊接單元，完善新的焊接技術(shù)。

（5）加強(qiáng)回收利用技術(shù)發(fā)展。通過熱塑性復(fù)合材料廢品的回收處理，進(jìn)行二次加工成型，以及經(jīng)濟(jì)評(píng)估。