熱塑性復(fù)合材料

熱塑性塑料是復(fù)合材料中熱固性聚合物的替代品,，有望提高生產(chǎn)率,。與摻入熱固性聚合物的復(fù)合材料不同，熱塑性復(fù)合材料在固結(jié)后不需要固化步驟,，其中通過對多個(gè)預(yù)浸料坯層施加熱量和壓力以形成固體層壓板來形成復(fù)合材料,。與熱固性復(fù)合材料不同，熱固性復(fù)合材料需要固化時(shí)間才能在分子結(jié)構(gòu)中形成聚合物交聯(lián),，因此熱塑性復(fù)合材料只需要加熱到超過熱塑性基質(zhì)的熔點(diǎn),，固結(jié)并冷卻即可。

熱塑性復(fù)合材料通常以帶卷形式包裝,，該帶卷由單向排列的碳纖維組成,，碳纖維預(yù)浸漬了熱塑性樹脂。熱塑性復(fù)合材料也可以編織帶或增強(qiáng)的熱塑性層壓材料形式提供,。

用作航空航天應(yīng)用熱塑性復(fù)合材料樹脂基體的性能

航空航天應(yīng)用的熱塑性復(fù)合材料使用高性能的熱塑性樹脂,，包括聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮,、聚芳基醚酮,、聚醚酰亞胺和聚苯硫醚。航空航天熱塑性復(fù)合材料的碳纖維百分比通常約為50-60％（體積）,。調(diào)整碳纖維與熱塑性樹脂的比例以實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)械性能以及與制造工藝的兼容性,。為了使機(jī)械性能最大化，需要較高的纖維/樹脂比率,，但可能更適合于具有較長循環(huán)時(shí)間和較高壓力的制造過程,。較低的纖維與樹脂比例可適應(yīng)更快的工藝周期和較低的壓力。

制造過程

在典型的熱塑性復(fù)合材料制造過程中，將熱塑性膠帶鋪放,，加熱并通過加工機(jī)成型為最終的熱塑性復(fù)合材料組件,。膠帶鋪設(shè)通常由自動(dòng)膠帶鋪設(shè)（ATL）機(jī)器執(zhí)行，該機(jī)器將熱塑性膠帶機(jī)械地放在平面或異型模具上,，以形成多層層壓板,。ATL機(jī)器對膠帶的放置受到計(jì)算機(jī)的精確控制，以創(chuàng)建具有特定交替碳纖維方向（例如0°/ 90°/ + 45°/ -45°/ 90°/ 0°）的層,。碳纖維的方向與應(yīng)用預(yù)期的主要載荷的方向相匹配,，從而使最終復(fù)合材料具有出色的機(jī)械強(qiáng)度，然后在加熱和加壓下形成層壓板,，以通過沖壓成型將材料固結(jié)到最終零件中，

Tri-Mack的熱塑性復(fù)合材料制造工藝始于Tri-Mack的Fiberforge Relay 1000,，它可以自動(dòng)完成熱塑性膠帶的鋪放,，然后將定制的層壓板在烘箱中加熱，然后將其穿梭至500噸壓力機(jī)中,，以在模具中熱成型為復(fù)雜的形狀

原位,、高壓釜外制造工藝有潛力提供最快的生產(chǎn)率。在一個(gè)示例中,，一臺(tái)ATL機(jī)器放置預(yù)制的熱塑性復(fù)合材料帶,，用激光加熱基材和帶，并用輥?zhàn)邮┘訅毫σ孕纬珊凸探Y(jié)復(fù)合材料,，所有這些步驟均在烘箱外進(jìn)行,。

激光輔助ATL機(jī)通過一步一步加熱帶子，然后加熱帶子來完成熱塑性復(fù)合材料的原位固結(jié)

熱塑性復(fù)合材料零件可以通過多種組裝技術(shù),，包括與粘合劑的粘合,、共固結(jié)和機(jī)械緊固，一起與其他材料結(jié)合在一起,。熱塑性復(fù)合材料也可以通過電感,、電阻或超聲波焊接等工藝焊接在一起。

熱塑性復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)

熱塑性復(fù)合材料相對于熱固性復(fù)合材料的最大好處可能是更快的生產(chǎn)周期,，但是熱塑性復(fù)合材料還具有其他優(yōu)勢,。這些特性包括高韌性、低燃燒,、低著火性,、低煙氣和低毒性等，在濕熱條件下機(jī)械性能的降低程度較小,，在室溫下儲(chǔ)存的壽命不受限制,，并且具有充分的可回收性。

熱塑性復(fù)合材料組件也可以通過熔接或焊接來連接。固化的熱固性復(fù)合材料零件無法焊接,，必須通過需要應(yīng)力集中孔的機(jī)械緊固件或粘合劑來連接,，這給無損檢測（NDT）帶來了挑戰(zhàn)。但是,，一項(xiàng)新技術(shù)通過將熱塑性塑料的表面層作為熱固性復(fù)合材料的頂層結(jié)合到一起,，從而允許熱固性復(fù)合材料零件焊接，該熱塑性塑料的表面層可以被焊接到相似的表面,。

與熱固性復(fù)合材料相比,，熱塑性復(fù)合材料的缺點(diǎn)包括更高的加工溫度，由于更高的粘度和更高的原材料成本而帶來的處理挑戰(zhàn),。

熱塑性和熱固性復(fù)合材料比金屬具有許多共同的優(yōu)勢,，包括更高的剛度和強(qiáng)度重量比，出色的抗疲勞性以及根據(jù)應(yīng)用量身定制設(shè)計(jì)的能力,。它們還具有出色的耐腐蝕性,，并能與水分和化學(xué)物質(zhì)（包括溶劑，燃料和液壓油）接觸,。

當(dāng)飛機(jī)制造商尋求加速生產(chǎn)以填補(bǔ)訂單積壓的方法時(shí),，熱塑性復(fù)合材料代表了一種有前途的材料技術(shù)，具有改善周期時(shí)間的潛力,。許多公司正在探索熱塑性材料的廣泛應(yīng)用,，因此他們正在投資熱塑性復(fù)合材料制造工藝，以使其技術(shù)成熟,，降低工藝成本并提高生產(chǎn)率,。

2018年3月，全球最大的碳纖維制造商東麗工業(yè)株式會(huì)社以9.3億歐元的價(jià)格收購了TenCate Advanced Composites,。此舉似乎是為了增強(qiáng)東麗的TPC能力,，為下一波商用飛機(jī)的發(fā)展做準(zhǔn)備。該消息宣布后不久,，美國Hexcel和阿科瑪公司宣布,，將Hexcel在碳纖維制造方面的技術(shù)與阿科瑪?shù)木勖淹≒EKK）樹脂相結(jié)合，建立戰(zhàn)略聯(lián)盟,，以開發(fā)用于航空航天的熱塑性復(fù)合材料,。

2018年4月，位于德國奧格斯堡的Premium Aerotec GmbH推出了空中客車A320壓力艙壁的演示器,，該飛機(jī)是在熱塑性基體中使用碳纖維開發(fā)和制造的,。該演示器由八個(gè)焊接段組成，證明了熱塑性塑料的可焊接性及其如何具有使飛機(jī)部件更大的潛力,。

2018年8月,，Solvay,、Premium Aerotec和佛吉亞清潔交通成立了IRG CosiMo  聯(lián)盟，該聯(lián)盟致力于材料的開發(fā),，旨在實(shí)現(xiàn)用于航空航天和汽車市場的熱塑性復(fù)合材料大批量生產(chǎn)的加工技術(shù),。

自2017年6月以來，Solvay一直與GKN Fokker合作,，通過采用TPC以實(shí)現(xiàn)大型航空航天結(jié)構(gòu)改進(jìn),。該公司于2017年9月啟動(dòng)了PEKK聚合物生產(chǎn)，然后在2018年將其合格的UD熱塑性膠帶產(chǎn)能增加了一倍,。2019年,，Solvay在美國喬治亞州阿爾法利塔市成立了一個(gè)專門的TPC研究實(shí)驗(yàn)室，旨在開發(fā)下一代材料,。

日本帝人Teijin Ltd.于2019年1月宣布,，其TENAX碳纖維和碳纖維/熱塑性單向預(yù)浸膠帶（TENAX TPUD）已獲得波音的認(rèn)證，可作為復(fù)合材料的高級(jí)中間體用于主要結(jié)構(gòu)部件,。

2020年3月,，日本金澤工業(yè)大學(xué)與從事工業(yè)廢棄物處理和回收的三榮興業(yè)公司合作，開發(fā)出了比以往的碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度更高,，而且抗靜電性能優(yōu)異的新型熱塑性碳纖維復(fù)合材料,。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種”增容劑“,，不僅抑制了傳統(tǒng)相容劑導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性的降低的問題,，而且即使碳纖維的纖維長度短，在保持剛性的同時(shí),，也能夠提高注射成形和擠出成形等成形性,。

日本研發(fā)的新型熱塑性復(fù)合材料