近年來，以熱塑性樹脂為基體的纖維增強熱塑性復合材料發展迅猛，在世界范圍內正掀起一股研究開發此類高性能復合材料的高潮。熱塑性復合材料是指以熱塑性聚合物（如聚乙（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/不連續纖維（如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等）為增強材料而制成的復合材料。

熱塑性樹脂根據力學性能和耐溫等級的不同可按照圖1進行分類。目前應用到航空領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，比半結晶的 PPS 及高成型溫度的PEEK在飛機結構上的應用更多。常用熱塑性基體的主要性能參數如表1所示。與熱固性樹脂相比，熱塑性樹脂具有更好的力學性能和化學耐腐蝕性、更高的使用溫度、高比強度和硬度、優異的斷裂韌性和損傷容限、優良的耐疲勞性能、能夠模塑成型復雜幾何形狀和結構、可調的導熱性、可回收性、在惡劣環境的穩定性好、可重復成型、可焊接和修補等特點。由熱塑性樹脂與增強材料組成的復合材料具有耐久性、高韌性、高抗沖擊和損傷容限；纖維預浸料不必再低溫存放，無限預浸料存儲期；成型周期短、可焊接、生產效率高、易修復；廢品可回收再利用；產品設計自由度大，可制成復雜形狀、成型適應性廣等眾多優點。

熱塑性復合材料性能不僅取決于樹脂、增強纖維的性能，還與纖維的增強方式密切相關，熱塑性復合材料的纖維增強方式有短纖維增強、長纖維增強和連續纖維增強3種基本形式，如圖2所示。

? 1.2.1? 短纖維增強

一般來說，短纖維增強纖維的長度為 0.2~0.6mm，由于大多數纖維的直徑小于70μm，所以短纖維看起來更像是粉末。短纖維增強熱塑性塑料一般將纖維混合到熔融熱塑性塑料中制造?；|中的纖維長度和隨機取向使得實現良好的潤濕相對容易，與長纖維和連續纖維增強材料相比，短纖維復合材料最容易制造，但機械性能改善最小。短纖維復合材料傾向于通過模塑或擠出方法形成最終部件，因為短纖維對流動性影響較小。

? 1.2.2 長纖維增強

長纖維增強復合材料的纖維長度一般約 20mm，通常采用連續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粗紗產生。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，確保適當的潤濕，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，長纖維增強復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。因為較長的纖維抑制流動使其難以填充模具的所有部分，因此制造工藝相對困難，然而相比短纖維增強，對機械性能的提升更加明顯。目前，長纖維增強 PEEK 熱塑性復合材料通過 FDM 打印成型的結構性能可達到 200MPa 以上 , 模量能夠達到20GPa以上，通過注塑成型性能會更好。

? 1.2.3 連續纖維增強

連續纖維增強復合材料中的纖維是“連續的”，長度從幾米到幾千米不等，連續纖維復合材料一般主要提供層壓板、預浸帶或編織物等，通過用所需的熱塑性基體浸漬連續纖維形成。其中，連續纖維復合預浸帶厚度為0.127~0.762mm，寬度為 1.6mm 至上百毫米，通常使用較寬的預浸帶切割成所需寬度用于最終加工。纖維長度對于復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，纖維長度對復合材料強度的貢獻可以從兩個方面來理解：

（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，復合材料斷裂時，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）在部分纖維長度達到臨界長度情況下，當復合材料斷裂時伴隨著更多纖維的斷裂，同樣使承受載荷的能力提高。

國外航空航天工業已經大量使用熱塑性復合材料，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 夾層結構、貨倉壁板、機身結構、聲學結構、航天衛星結構等各領域都在大規模使用。

熱塑性復合材料在灣流 G650 公務機上的應用對熱塑性復合材料應用是一個里程碑，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，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 公司的感應焊接技術焊接為整體結構，焊接過程能夠實現自動化，如圖16所示，一次性將3組肋與3組梁焊接到蒙皮。復合材料與金屬界面的連接采用鉚接和螺栓方式，標志著民機主控制面采用熱塑性復合材料的時代已經到來。方向舵和升降舵的碳纖維/PPS多肋結構比常規的碳纖維/環氧三明治結構輕10%、便宜20%，利用先進的感應焊接技術替代膠接和鉚接是一個重要的成本削減因素。

A380 研制過程中前所未有的規模以及嚴格的重量目標，使其大量采用熱塑性復合材料。A380 翼前緣采用了PPS熱塑性復合材料，每個A380包括16個前緣組件，每個組件3~4m，每個組件包括前緣蒙皮與內部加強筋條。得益于 Stork Fokker 第 2 代電阻焊接技術的發展，通過優化焊接網改善溫度分布，更加完善的焊接工具與優化的焊接接頭使得焊接剝離強度更高，因此在A380 前緣設計工程中，通過前緣內部加強筋條的優化，最終減少了筋條數量，減輕了 20% 以上的質量。

其中，翼前緣蒙皮采用自動鋪放成型技術，而加強筋與肋采用玻璃纖維/PPS 薄膜“半預浸料”層壓板（每塊板由 5 層預浸料組成）熱壓成形。通過電阻焊接技術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械連接形成整個機翼，前緣組件及電阻焊接過程如圖17所示。

A380 發動機塔架蓋由 Daher 公司使用碳纖維 /PPS層壓板熱壓成形，A380兩臺發動機共含50個塔架蓋面板。Daher–Socata 工廠為新一代空客飛機 A350XWB提供最多的熱塑性復合材料構件為機身與加強筋連接的角片。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。大部分角片材料為TenCate 提供的層壓板預浸料碳纖維 / PPS, 還有部分Daher–Socata 公司生產的碳纖維 / PEEK。所有角片采用加熱、轉移、沖壓成型的完全自動化生產，每架飛機大致需要 8000 個?？湛陀媱澝吭律a不少于 10 架該型飛機，Daher–Socata 公司為其每月生產 15000 個。

Daher–Socata 工廠制造的最大的熱塑性結構件是A400M軍用運輸機的駕駛艙地板，尺寸為 3.048m×3.048m，如圖19所示，由250個熱塑性復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，實現節省重量、降低成本的目標。目前熱塑性復合材料最大問題是材料成本問題，該廠已經與 Cytec工業和 TenCate 以及日本的其他供應商合作，商討降低高性能熱塑性復合材料成本，提高應用比例問題。此外，空客 A400M 軍用運輸機為了保護機身側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，設置了防冰板，其采用玻璃纖維增強 PPS 熱塑性復合材料制造而成，具有優異的抗沖擊性和非常好的耐化學性（除冰和液壓 / 去污液），如圖20所示。

2017 年，STELIA Aerospace 公司在巴黎國際航展上展示了其熱塑性復合材料創新項目 Arches Box TP的最新成果，如圖21所示。

STELIA Aerospace 公司作為航空結構領域的重要參與者，為了能夠更好地滿足客戶需求，在下一代單通道飛機機身上使用熱塑性復合材料，STELIA Aerospace公司聯合 Porcher Industries、AVIACOMP、CETIM等公司開展了在 CORAC 平臺內的 Arches Box TP 項目 （2015~2017 年），兩年內投入了數百萬歐元，并開發了個通用的熱塑性復合材料示范結構，可以在實際的工業環境中對其中涉及的技術進行內部評估。該項目涉及的熱塑性樹脂包括高性能的 PEEK、PEKK、PPS 等，主要驗證技術及其示意圖如表 3 所示。

2015 年美國宇航局發射的全球土壤水分測量航天器（SMAP），如圖 22 所示，大量使用了熱塑性復合材料。該航天器的可展開網狀反射器由諾斯羅普 · 格魯曼 公司 Astro Aerospace 采用 TenCate 熱塑性復合材料制造而成。該反射器為拋物面形狀設計，φ6m，包括一個圓形碳纖維增強塑料（CFRP）桁架，表面附上金屬加強網，反射體由具有高剛度和強度的芳綸強化 PEI 拉擠成型制成，通過超聲波點焊焊接在其交叉點加強網上，實現了輕量化、高強度、耐疲勞的特性。

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目前，除了航空航天領域，熱塑性復合材料在汽車行業、石油化工行業等也有使用，尤其是汽車行業，是熱塑性復合材料大規模使用的重要領域，目前LFT（Long fifiber 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板等結構件和半結構件中得到廣泛應用。如圖 23 和 24 所示，捷豹 X760 發動機油盤、BMW 汽車車門與前引擎蓋均使用熱塑性復合材料。此外，澳大利亞一家碳纖維技術公司在 2012 年美國拉斯維加斯舉行的國際汽車零配件展覽會（SEMA）上推出的世界上第 1 個整體式碳纖維輪轂，這種 CR–9碳纖維輪轂每個僅重 6.81~8.17kg，其質量比合金輪轂輕 40%~50%。Smart 公司的全塑復合材料車輪采用長纖維增強聚酰胺熱塑性復合材料，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，這種熱塑性復合材料的注塑成型都更具優勢。

熱塑性復合材料在國外已經開始成規模使用，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用企業，已經成體系發展，技術日益完善。目前熱塑性復合材料發展面臨的主要挑戰與研究方向有以下 5 個方面。

（1）提高主承力結構應用比例。當前國外熱塑性復合材料多數用于次承力結構，主承力結構應用相對較少。根據歐盟啟動的熱塑性經濟可承受性航空主結構（TAPAS）項目，將進一步增加熱塑性復合材料在當前和未來飛機上的應用比例，尤其是下一代飛機機身等主承力結構中的應用。

（2）降低以 PEEK 為代表的高性能熱塑性復合材料原材料成本。目前，PEEK 等高性能樹脂熔點溫度高、黏性大、預浸料制作工藝復雜是造成原材料成本高的主要原因。主要通過優化制造成型工藝和與客戶合作提高產量來降低成本，以及開發新的質優價廉的材料（如PAEK）等。

（3）大規模應用的挑戰（如汽車行業）。如何大規模生產質量可靠無缺陷的產品即生產過程的可靠性、穩健性；成熟完善的供應鏈系統的建設；整個生產流程的成本控制問題，如車間改造、自動化生產線的建立、原材料貯存等；基于不同熱塑性復合材料的性能特點的設計水平提升等。

（4）完善成型工藝。對于自動鋪放原位固化工藝，尤其是高性能熱塑性樹脂復合材料，主要通過優化工藝、改善加熱方法（如 PEEK 基復合材料鋪放溫度需達到400℃級別）等提高鋪放速度。對于包覆成型，繼續提高注射成型與沖壓件之間的界面結合強度等。對于焊接工藝（電阻焊接和感應焊接），主要是完善焊接元件及工藝，減小甚至消除因工藝方法產生的界面殘留物，提高焊接性能，并繼續開發適宜 PEEK 等高性能產品的焊接單元，完善新的焊接技術。

（5）加強回收利用技術發展。通過熱塑性復合材料廢品的回收處理，進行二次加工成型，以及經濟評估。