先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料是指連續(xù)纖維（高強(qiáng)玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維）增強(qiáng)熱塑性樹脂的一類復(fù)合材料。與熱固性復(fù)合材料相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

因此，先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料是一種非常有前途的飛行器結(jié)構(gòu)材料，受到廣泛關(guān)注。

熱塑性樹脂聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)具有高耐熱性、耐環(huán)境特性、優(yōu)異的抗沖擊、抗疲勞、耐蠕變、耐腐蝕、耐輻照、阻燃、電絕緣性好等特點(diǎn)，特別是 PEEK 長(zhǎng)期使用溫度高、耐介質(zhì)性能優(yōu)異，是目前能在航空主要承力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的熱塑性樹脂基體。PEEK、PEI 和 PPS 在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)。表 1 所示為聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亞胺(PEI) 、聚苯硫醚(PPS)的熱性能、力學(xué)性能和物理性能等。

先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料研究開始于在上世紀(jì) 70 年代，主要采用熱壓成型技術(shù)制備。由于熱塑性樹脂熔融粘度大，熔融溫度高，使先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料及其構(gòu)件成型質(zhì)量差，成本高，難以成型大型復(fù)雜構(gòu)件等，妨礙了先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用。隨著復(fù)合材料大功率激光加熱自動(dòng)鋪放裝備的發(fā)展，給先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料快速高效低成本制造帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料、自動(dòng)鋪放原位固結(jié)成型和焊接技術(shù)成為當(dāng)前發(fā)展熱點(diǎn)。

自動(dòng)鋪放原位固結(jié)成型的熱塑性復(fù)合材料，其內(nèi)部質(zhì)量和熱塑性預(yù)浸料的質(zhì)量有密切關(guān)系。熱塑性預(yù)浸料中存在的缺陷會(huì)影響熱塑性復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量。熱塑性預(yù)浸料制造方法有很多。但作為連續(xù)纖維增強(qiáng)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料用預(yù)浸料，主要制造方法有熔融浸漬、料漿浸漬和流化態(tài)浸漬法。

熔融浸漬的原理為將連續(xù)纖維從紗架引出經(jīng)多級(jí)輥輪后進(jìn)入分絲系統(tǒng)，多級(jí)輥輪的作用是調(diào)節(jié)纖維所受的張力并使纖維分展開，然后在纖維預(yù)熱后進(jìn)入熔融浸漬模具系統(tǒng)中，在熔融浸漬模具中熱塑性樹脂在高溫下熔化并浸潤(rùn)纖維，冷卻收卷得到預(yù)浸料。熱塑性預(yù)浸帶熔融浸漬法制備過程如圖 1 所示。

熱塑性預(yù)浸帶熔融浸漬法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、環(huán)境污染少、制備周期短、可連續(xù)生產(chǎn)等，其關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)纖維束的均勻分散和浸漬。熔融浸漬要求樹脂具有較低熔融溫度和較高表面張力，以保證在較低溫度下實(shí)現(xiàn)充分浸漬。熔融浸漬法制備的預(yù)浸帶質(zhì)量受纖維分散程度和樹脂熔融黏度的影響很大。如果樹脂熔融黏度大、纖維展開不充分會(huì)導(dǎo)致浸漬效果差，纖維束內(nèi)孔隙率高。英國(guó) ICI 公司通過長(zhǎng)期努力，在 PEEK 熔融溫度降低、浸漬模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、纖維展開等關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，成功制備了樹脂含量均勻、柔韌性好的高質(zhì)量 CF/PEEK 預(yù)浸帶。除 ICI 公司外，目前 Ten Cate, Polystrand, Gurit Suprem 等公司的 CF/PEEK 單向預(yù)浸帶或預(yù)浸絲束都使用熔融浸漬法制備。

料漿浸漬法的原理為將熱塑性樹脂顆粒懸浮分散于液體介質(zhì)形成浸漬料漿，纖維經(jīng)輥輪展開后牽引通過浸漬料漿，在纖維使表面附著熱塑性樹脂顆粒，然后通過浸漬導(dǎo)輥加壓使樹脂顆粒進(jìn)入到纖維束內(nèi)，在加熱爐中加熱使附著纖維的熱塑性樹脂顆粒熔融，烘干后得到熱塑性預(yù)浸料。

流化態(tài)浸漬法是利用粉末流化或者靜電吸附原理，將纖維通過充滿樹脂粉末的區(qū)域使其充分包裹在纖維束上，然后加熱加壓使熱塑性樹脂粉末熔融浸漬從而得到預(yù)浸料。圖 2 為流化浸漬法制備熱塑性預(yù)浸帶流程圖。流化態(tài)浸漬過程纖維束可以充分展開，樹脂粉末顆?？珊苋菀走M(jìn)入纖維束內(nèi)部，這樣樹脂熔融后浸漬纖維要求的流動(dòng)距離較短，因此流化態(tài)浸漬法對(duì)熱塑性樹脂的熔體黏度依賴性小，對(duì)纖維的浸透性好 。目前，德國(guó)巴斯夫公司和美國(guó) Hexcel 公司采用流化態(tài)浸漬技術(shù)生產(chǎn)玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維增強(qiáng) PEK、PEEK、PESPP、PA6 和 PEI 樹脂等熱塑性預(yù)浸料等。

目前采用靜電粉末浸漬法和熔融浸漬法都可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量碳纖維/PEEK 預(yù)浸帶的制備，并在部分航空結(jié)構(gòu)進(jìn)行了考核驗(yàn)證，但尚未在航空主要承載結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用。

先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)主要涉及熱壓成型和自動(dòng)鋪放原位固結(jié)成型技術(shù)。模壓成型和熱壓罐成型是航空熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件最主要的熱壓成型方法。熱壓成型適宜制備一些尺寸相對(duì)較小的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件，可以實(shí)現(xiàn)快速成型；但對(duì)于尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件，由于熱塑性樹脂通常熔融溫度高粘度大，所需的成型溫度和壓力大，導(dǎo)致對(duì)成型設(shè)備要求高，制造成本高等問題。

自動(dòng)鋪放（AFP）原位固結(jié)技術(shù)是將復(fù)合材料的剪裁、鋪疊、熔融壓實(shí)等步驟集于一體，能有效滿足自動(dòng)化、高效率、高質(zhì)量、低成本等技術(shù)要求，是熱塑性復(fù)合材料制造技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。采用 AFP 原位固結(jié)技術(shù)不需要使用熱壓罐等設(shè)備，避免了需要使用熱壓罐對(duì)制件尺寸的限制，因此采用 AFP 原位固結(jié)技術(shù)可以制備飛機(jī)整體壁板、大梁、長(zhǎng)桁、機(jī)身段、進(jìn)氣道等大型復(fù)合材料構(gòu)件。圖 3 所示為 AFP 原位固結(jié)成型過程示意圖 。由于高性能熱塑性樹脂一般熔融溫度較高，因此對(duì)于高性能熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的 AFP 原位固結(jié)成型設(shè)備需要應(yīng)用高效激光加熱。

近年來國(guó)內(nèi)外開發(fā)了激光加熱自動(dòng)鋪放設(shè)備，開展了 PEEK 熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放原位固結(jié)技術(shù)研究，取得了一定的進(jìn)展，但離實(shí)際應(yīng)用尚有一定的差距。

隨著先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料在航空領(lǐng)域得到應(yīng)用，要求復(fù)雜加筋結(jié)構(gòu)飛機(jī)機(jī)身壁板等大型復(fù)合材料構(gòu)件實(shí)現(xiàn)整體化制造，采用自動(dòng)鋪放原位固結(jié)技術(shù)制造壁板蒙皮，熱壓成型各種加筋結(jié)構(gòu)，然后利用熱塑性復(fù)合材料的可焊接特性，焊接得到最終的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜加筋結(jié)構(gòu)飛機(jī)機(jī)身壁板。熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)主要有激光、電阻、感應(yīng)以及超聲波焊接技術(shù)。先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料激光焊接設(shè)備成本較高。電阻焊是先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料特有的焊接技術(shù)，需要在待焊的兩熱塑性復(fù)合材料工件間插入電阻元件，通過對(duì)電阻元件施加電流產(chǎn)生熱量熔化熱塑性復(fù)合材料樹脂基體，同時(shí)加壓后冷卻實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料的連接。超聲波焊是非常適合焊接熱塑性材料的方法，具有高效、清潔、成本低、操作靈活、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

2 先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料已在航空領(lǐng)域開始得到應(yīng)用，已從簡(jiǎn)單的非承力件應(yīng)用逐漸開始向重要件、承力件應(yīng)用考核，特別是隨著熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放原位固結(jié)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料在飛機(jī)主承力構(gòu)件的應(yīng)用前景已經(jīng)逐漸清晰。

先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料早期應(yīng)用主要是纖維增強(qiáng) PPS 熱塑性復(fù)合材料，采用預(yù)浸料/熱壓罐成型工藝制造。和 PEEK 熱塑性復(fù)合材料相比，PPS 熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是樹脂粘度低，能夠在較低壓力下成型，缺點(diǎn)是使用溫度低，不能滿足超音速飛機(jī)的應(yīng)用要求。圖 4 為 Fokker 公司采用 GF/PPS 復(fù)合材料為空客 A380 飛機(jī)研制的機(jī)翼前緣、Gulfstream G650飛機(jī)的方向舵和升降舵，以及 A320 飛機(jī)后壓力艙壁板 ，實(shí)現(xiàn)重量減輕約10%，成本降低約20%。

PEEK 熱塑性復(fù)合材料具有使用溫度高、耐介質(zhì)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是目前能在航空主要承力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的熱塑性復(fù)合材料。但早期 PEEK 熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用主要是尺寸較小的熱壓成型構(gòu)件。隨著先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料制造技術(shù)，特別是自動(dòng)鋪放原位固結(jié)成型技術(shù)的逐漸成熟，連續(xù)纖維增強(qiáng) PEEK 復(fù)合材料將從簡(jiǎn)單的非承力件逐漸向重要件、承力件拓展，采用PEEK 熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料/熱壓成型的復(fù)合材料構(gòu)件不斷得到應(yīng)用，PEEK 熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料/原位固結(jié)成型技術(shù)得到考核驗(yàn)證。

H-160 直升機(jī)熱塑性復(fù)合材料槳轂中央件是碳纖維增強(qiáng) PEEK 熱塑性復(fù)合材料在尺寸較小航空結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用，采用碳纖維織物/PEEK 預(yù)浸料模壓工藝制造。

H-160 直升機(jī)是空客直升機(jī)公司研發(fā)的一款全復(fù)合材料中型民用直升機(jī)。為提高球柔性旋翼核心關(guān)鍵件槳轂中央件的壽命，空客直升機(jī)公司設(shè)計(jì)研制了碳纖維增強(qiáng) PEEK 復(fù)合材料槳轂中央件。和鈦合金槳轂中央件相比，H-160 直升機(jī)熱塑性復(fù)合材料槳轂中央件不但提高損傷容限和使用壽命，而且降低了制造成本和減輕了質(zhì)量。圖5為 H-160 直升機(jī) T300/PEEK 復(fù)合材料槳轂中央件。

圖5 H-160  直升機(jī)T300/PEEK復(fù)合材料槳轂中央件

PEEK 熱塑性復(fù)合材料樹脂基體熔融粘度大，熔融溫度高，需要高的成型壓力和溫度，采用的模壓工藝難以成型大尺寸的復(fù)合材料關(guān)鍵。隨著先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放原位固結(jié)成型技術(shù)的逐漸成熟，連續(xù)纖維增強(qiáng) PEEK 復(fù)合材料逐漸向大尺寸承力件拓展。荷蘭國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室（NLR）采用自動(dòng)鋪放工藝技術(shù)研制了大尺寸、大厚度熱塑性復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)短艙吊梁，所用材料是 TC1320CF/PEKK 預(yù)浸料。短艙吊梁長(zhǎng) 6m，厚度 28mm，和原金屬短艙吊梁相比，熱塑性復(fù)合材料短艙吊梁顯著降低了制造成本和結(jié)構(gòu)重量。

法國(guó) Stelia 公司采用絲束自動(dòng)鋪放原位固結(jié)/加筋結(jié)構(gòu)電阻焊接技術(shù)制備了 CF/PEEK復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)機(jī)身驗(yàn)證件，如圖 6 所示，主要用以下一代單通道飛機(jī)使用先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料可能性的評(píng)估。

2018 年歐洲啟動(dòng)了“潔靜天空 2”計(jì)劃，其中包括熱塑性復(fù)合材料多功能機(jī)身演示項(xiàng)目，主要驗(yàn)證 CF/PEEK 熱塑性復(fù)合材料機(jī)身蒙皮自動(dòng)鋪放原位固結(jié)和不同熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)。目前該項(xiàng)目已經(jīng)完成 8m X4m 熱塑性復(fù)合材料下半部機(jī)身結(jié)構(gòu)的制造，后續(xù)將和上半部熱塑性機(jī)身結(jié)構(gòu)連接進(jìn)行考核驗(yàn)證。

自 20 世紀(jì) 60 年代以來，歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料研究并取得許多突破性進(jìn)展。PPS 熱塑性復(fù)合材料飛機(jī)蒙皮、整流罩、升降舵、平尾等部已在波音、空客、福特等公司成功應(yīng)用。近幾年全球著名的復(fù)合材料研發(fā)廠商更是在 PEEK 熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域不斷布局，蓄勢(shì)待發(fā)。2018 年 3 月，為提升熱塑性復(fù)合材料的研發(fā)能力，為下一代商用飛機(jī)的發(fā)展做準(zhǔn)備，全球最大的碳纖維制造商?hào)|麗工業(yè)株式會(huì)社以 9.3 億歐元的價(jià)格收購(gòu)了 Ten Cate 先進(jìn)復(fù)合材料業(yè)務(wù)。美國(guó) Hexcel 和阿科瑪公司宣布建立戰(zhàn)略聯(lián)盟，以 Hexcel 在碳纖維方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和阿科瑪在PEKK 樹脂方面的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，開發(fā)用于航空航天的PEKK 熱塑性復(fù)合材料。稍后德國(guó)的Premium Aerotec Gmb H 推出了空客 A320 熱塑性復(fù)合材料后壓力艙壁。2019 年 1 月日本帝人宣布，公司研發(fā)的 TENAX 碳纖維和碳纖維/PEEK 熱塑性單向預(yù)浸膠帶（TENAX TPUD）已獲得波音的認(rèn)證，可用于飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件。

隨著熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步，人們開始注意到熱塑性復(fù)合材料的作用正變得越來越重要。飛機(jī)制造商對(duì)熱塑性復(fù)合材料能夠快速制造的優(yōu)勢(shì)非常有興趣，正在加大投入研發(fā)更大、更復(fù)雜的先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。但要實(shí)現(xiàn)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料在航空裝備的大量應(yīng)用，需要進(jìn)一步重點(diǎn)發(fā)展：

高性能熱塑性預(yù)浸料是先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料的關(guān)鍵中間材料，預(yù)浸料的質(zhì)量和成本在很大程度上決定了熱塑性復(fù)合材料的質(zhì)量和成本。因此要實(shí)現(xiàn)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料高效應(yīng)用，必須首先突破熱塑性樹脂熔融粘度調(diào)控、預(yù)浸設(shè)備及其預(yù)浸工藝優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高性能熱塑性預(yù)浸料高質(zhì)量制造。

高性能熱塑性樹脂基體熔融溫度高，熔融粘度大，熱壓成型要求高溫高壓，成型設(shè)備投資大，模具成本高，輔助材料價(jià)格貴，導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造缺陷多，制造成本高。要提高先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料制造質(zhì)量和降低制造成本，需要發(fā)展先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸帶分切技術(shù)和大功率激光加熱自動(dòng)鋪放原位固結(jié)設(shè)備，優(yōu)化自動(dòng)鋪放工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)鋪放快速制造。

（3）先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接技術(shù)。

先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)具有更好的減重效率，但目前對(duì)于大尺寸形狀復(fù)雜形狀的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件仍然難以實(shí)現(xiàn)一次成型，因此發(fā)展高效連接技術(shù)成為十分迫切。熱塑性復(fù)合材料連接性能對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能具有重要影響，傳統(tǒng)的機(jī)械連接和膠結(jié)連接連接方法并不適用于先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料，需要發(fā)展以結(jié)構(gòu)自動(dòng)化超聲焊接技術(shù)為主，電阻焊接技術(shù)等輔助的先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料高效連接。