過去的十五年中，飛機制造商一直使用熱塑性復合材料作為結構復合材料，來提高其韌性和耐久性。熱塑性復合材料的結構應用范圍廣泛，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合材料在當今航空航天領域應用的關鍵因素、常見的熱塑性復合材料形式，介紹了熱塑性復合材料優缺點，以及常見的加工工藝。
01 驅動因素分析
原始設備制造商——OEM廠商最近對熱塑性塑料表現出了越來越大的興趣。雖然選擇熱塑性復合材料的原因很多，但一些關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，可以在不使用高壓釜的情況下，生產具有極低空隙含量的熱塑性結構。諸如Automated Dynamics、ACM/Experion、Fiberforge和Cutting Dynamics等零件和設備供應商已經開發出獨特的機器技術，來優化熱塑性復合材料零件的制造。
其二，由于熱塑性塑料能夠通過感應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通過使用感應焊接生產Gulfstream灣流 G650商務飛機的尾翼組件，與熱固性復合材料結構相比，該結構的成本降低了20%，重量減輕了10%。
其三，復合材料機身的改變導致了金屬結構支架的拆除以及相應的電偶腐蝕影響。熱塑性復合材料具有優異的阻燃性和結構特性，熱塑性塑料還引入了具有成本效益的技術（熱成型或壓縮成型）來生產各種金屬支架。
此外，大多數新的自動化解決方案都需要低空隙率熱塑性預浸料，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
半結晶態和無定形（amorphous，非晶態）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構。在玻璃化轉變溫度（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。
與半結晶聚合物相比，非晶態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。
半結晶聚合物具有非晶態的區域和聚合物緊密堆積在晶格中的區域。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晶度。
目前，復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）–半結晶
聚醚醚酮（Poly‐ether‐ether‐ketone，PEEK）–半結晶
聚苯硫醚（Poly‐phenylene‐sulfide，PPS）–半結晶
尼龍（Nylons）–無定形或半結晶
聚醚酰亞胺（Poly-ether‐imide，PEI）-非晶態
03 材料形式
熱塑性復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浸料，織物內包含熱塑性樹脂。這些材料主要用于非常大的連續結構，例如尾部升降機、襟翼和前緣等。如東麗先進復合材料公司（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分鐘可實現層壓板快速加熱，然后移至熱成型壓力機中，在不到五分鐘的時間內即可生產出復雜的零件。
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。這種材料形式的優點是能夠使用纖維鋪放設備和自動鋪帶以獲得最佳效率。通過連續壓縮成型、膠帶鋪設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 熱塑性復合材料性能優勢
熱塑性復合材料成熟應用已經有數十年的歷史了，熱塑性復合材料的系列優點如下所示：
能夠在短周期時間內，實現零部件的熱成型制造。
具有優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更大的結構。
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。
與熱固性復合材料相比，熱塑性復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。
傳統的零件制造商可能不熟悉現代的熱塑性復合材料加工技術。
05 熱塑性復合材料典型特性
在結構應用中使用復合材料的風險之一是，如果零件內部存在小缺陷，復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生開裂。
與熱固性塑料相比，熱塑性復合材料通常具有更高的韌性。這是一個額外的好處，因為即使存在內部損壞，復合材料也通常不會表現出表面損壞。
高韌性——熱塑性復合材料已被證明在典型的航空航天測試中表現出更高的韌性。對于復合材料而言，當發生內部裂紋時，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是一大好處。
室溫保存——熱塑性預浸料可以保持在室溫下，而不會降低性能，因為熱塑性復合材料無需擔心化學反應。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合材料的物流變得更加復雜。由于不用考慮超時時間，因此也可以使用更復雜的零件。
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——使用熱塑性復合材料時，一個要考慮的問題是要求在明顯高于玻璃化轉變溫度的溫度下加工聚合物。玻璃化轉變溫度通常被視為聚合物的使用溫度。下表總結了各種熱塑性聚合物的玻璃化轉變溫度和工藝溫度。
06 常見成型工藝
自動化工藝的新發展正在降低制造熱塑性零件的成本。這些發展滿足了復合材料工業降低復合材料零件加工成本的需求。由于熱塑性塑料的性質，目前有許多此類技術可用于有效且經濟地生產零件，熱塑性塑料可在加工溫度下迅速形成。
由于不進行化學反應，因此標準的熱塑性塑料固化循環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，并具有高效的循環時間。不同公司正在生產幾種自動化工藝來以優化熱塑性零件的質量和制造速度。最廣泛且普遍的成型技術包括以下幾個方面：
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合材料絲束來生產零件，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時間通常少于5分鐘。
自動化生產裝置
可以使用機械有效地鋪設熱塑性塑料帶，其纖維方向在設計中規定。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 連續壓縮成型（CCM）
CCM（Continuous Compression Molding）是一種半連續的自動化制造技術，能夠吸收熱塑性復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工藝主要優勢在于具有更高的生產力，更高的質量和尺寸一致性，而且能夠節約能源。
CCM工藝具有更高的質量一致性
07 結束語
目前，在結構復合材料領域有多種材料可供選擇，但復合材料行業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合材料為制造工程師和設計師提供了一系列不同的工藝，使零件能夠可靠、快速地生產出來。憑借高韌性、室溫存儲、幾乎無限的保質期、通過焊接將結構結合的能力以及現代自動化技術等優勢，熱塑性復合材料將繼續在越來越多的應用中發揮重要作用。
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