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熱塑性復合材料（TPC）對于航空航天領(lǐng)域而言并不陌生，但在過去幾年中，商用飛機中的熱塑性材料使用達到了頂峰，TPC在支架等較小零件或較小的內(nèi)部組件的應用已有一段時間了，而目前熱塑性塑料正逐漸進入較大的飛機結(jié)構(gòu)中，并有望在未來的商用飛機中發(fā)揮更大的作用。

01、近兩年國外熱塑性復合材料焦點事件

2018年3月，全球最大的碳纖維制造商東麗工業(yè)株式會社以9.3億歐元的價格收購了TenCate Advanced Composites。此舉似乎是為了增強東麗的TPC能力，為下一波商用飛機的發(fā)展做準備。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)，旨在實現(xiàn)用于航空航天和汽車市場的熱塑性復合材料大批量生產(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以實現(xiàn)大型航空航天結(jié)構(gòu)改進。該公司于2017年9月啟動了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專門的TPC研究實驗室，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/熱塑性單向預浸膠帶（TENAX TPUD）已獲得波音的認證，可作為復合材料的高級中間體用于主要結(jié)構(gòu)部件。

隨著熱塑性復合材料技術(shù)和材料的進步，人們逐漸關(guān)注到航空業(yè)在未來幾十年中TPC的作用正變得越來越重要。制造商有興趣利用TPC的制造優(yōu)勢和快速的加工時間，并希望使用TPC制造更大的結(jié)構(gòu)，例如機身面板和肋板。另外，TPC具有很高的斷裂韌性、良好的機械性能、可回收性和低毒性，并且可以在室溫下存儲。隨著OEM和航空航天級供應商對熱塑性塑料越來越熟悉，它們已用于更復雜的零件、焊接組件和基本結(jié)構(gòu)。

02、熱塑性復合材料的可加工性

TPC在飛機工業(yè)中找到自己位置的一大原因是它們的可加工性。由于熱塑性塑料已經(jīng)完全聚合，因此其生產(chǎn)率要比必須固化的熱固性塑料快。“當你查看如今制造熱固性零件所需的時間并將其與制造熱塑性復合材料零件所需的時間進行比較時發(fā)現(xiàn)，熱塑性的速度要快大約10倍，”總裁兼首席執(zhí)行官Mike Favaloro說道。

與熱固性AFP相比，熱塑性自動纖維鋪放（AFP）的一大優(yōu)勢加工時間更快從而可提高生產(chǎn)率。在原位層壓和非高壓釜（OOA）合并后可以節(jié)省成本。ATC制造公司業(yè)務發(fā)展總監(jiān)David Leach 承認，熱塑性塑料的單位成本超過了熱固性塑料的成本，但他認為TPC材料價格將下降。此外，加工效率為當今降低成本提供了機會。復合材料行業(yè)的普遍共識是，與熱固性塑料相比，目前OOA熱塑性塑料工藝可節(jié)省30％以上的成本。

Leach指出：“即使飛機已經(jīng)投入生產(chǎn)，熱塑性塑料也正在進入程序中。這證明了熱塑性塑料的成本優(yōu)勢。”高性能基體聚合物的潛力已經(jīng)超出了市場上目前可用的范圍。Solvay超高分子材料主管Doug Brademeyer表示，該公司正在內(nèi)部和與合作伙伴一起開發(fā)針對不同制造工藝定制的量身定制的聚合物。Brademeyer說：“我們對這些量身定制的PAEK解決方案感到興奮，并可以根據(jù)客戶需求將其快速應用于我們在世界范圍內(nèi)的資產(chǎn)中的商業(yè)化。”

03、低熔點PAEK

隨著飛機原始設(shè)備制造商和供應商競相提高生產(chǎn)率和縮短周期，可加工性成為關(guān)鍵。聚醚醚酮（PEEK）具有最大的數(shù)據(jù)庫和最廣泛的合格性，長期以來一直是熱塑性聚合物的首選。但Favaloro認為，低熔點聚芳醚酮（LM-PAEK）具有一些優(yōu)點，特別是在ATL等自動化加工方法中。

“PEEK可通過沖壓成型和連續(xù)成型進行加工，但LM-PAEK加工溫度較低，工作粘度較低，可實現(xiàn)更好的自動化加工，結(jié)晶度較低，可降低殘余成型應力。LM-PAEK具有350-385℃的寬工藝窗口。作為參考，聚苯硫醚（PPS）的加工溫度范圍為330-350℃，而聚醚酮酮（PEKK）和PEEK的加工溫度分別為380℃和400℃。Toray Advanced Composites公司的首席技術(shù)官斯科特•昂格（Scott Unger）說：“這種材料由于其可加工性而獲得了如此大的吸引力。”

“開發(fā)TC1225的目的是創(chuàng)造一種在接近PPS使用溫度下能夠容易加工的產(chǎn)品，從而對最終用戶具有有利的成本地位，并具有PEEK的機械和流體阻力特性，”Unger說。“有了TC1225 LM PAEK，我覺得我們實現(xiàn)了所有這些目標。Cetex TC1225目前正在接受國家先進材料性能中心的認證。

據(jù)報道，使用LM-PAEK的膠帶可以提高鋪放速度。Victrex航空航天SBU主管Tim Herr說：“我們可以實現(xiàn)的原位AFP和高壓釜外固結(jié)AFP的鋪設(shè)速度是前所未有的。”他表示，在烘箱固結(jié)面板上可以實現(xiàn)每分鐘60米的鋪設(shè)速度。在質(zhì)量方面，Unger聲稱低熔點PAEK提供了使用原位纖維鋪設(shè)獲得與纖維鋪設(shè)層壓板相同層壓板質(zhì)量的能力，該層壓板是通過纖維鋪設(shè)后的烘箱固化而成的。

04、復合材料粘接

TPC的可焊性是用于飛機開發(fā)的材料的一大優(yōu)勢。熔融粘合/焊接為機械緊固和使用粘合劑尋找到了替代方法，而這兩種方法都是用于連接熱固性復合材料零件的。Solvay產(chǎn)品開發(fā)總監(jiān)Stephen Heinz表示：“連接和焊接在裝配的未來起著重要作用，并且有可能削減成本并提高航空結(jié)構(gòu)的可靠性。GKN Fokker等公司正在率先展示焊接技術(shù)。”

 GKN Fokker一直致力于開發(fā)TPC welding，自1990年代就開始嘗試對熱塑性塑料進行電阻焊接。該公司一直在使用熱塑性焊接工藝來連接尖端的內(nèi)部肋骨和外殼。在2019年JEC世界展覽會上，該公司展示了使用Solvay APC（PEKK-FC）UD膠帶制造的按區(qū)域劃分的熱塑性復合材料機身面板。該成果是GKN Fokker和灣流航空航天公司之間的聯(lián)合研發(fā)項目的結(jié)果。據(jù)報道，由于簡單的“對接”正交網(wǎng)格加強和完全焊接的框架，該零件是成本最低的復合材料板。

GKN Fokker熱塑性復合材料技術(shù)開發(fā)負責人Arnt Offringa解釋說：“使用熱塑性塑料，可以通過將網(wǎng)格“對接”到皮膚上來大大簡化正交網(wǎng)格。“網(wǎng)格現(xiàn)在僅由簡單的扁平預成型件組成，這些預成型件與蒙皮層壓板共同固結(jié)在一起，從而形成了低成本，整體硬化的外殼。將框架焊接到網(wǎng)格上。這些焊縫承受剪切力，因此可以省去所有螺栓。”

雖然焊接熱塑性結(jié)構(gòu)已經(jīng)在飛機機艙上使用了一段時間，但該技術(shù)現(xiàn)在似乎已準備好用于主要結(jié)構(gòu)。Mike Favaloro認為，航空航天制造商和OEM廠商對TPC尤其是過程控制越來越有信心。他說：“在10年的時間里，我們將看到它應用會越來越廣泛。”

05、可回收性

TPC的另一個好處是可回收性。由于熱塑性聚合物可以重熔和重塑，因此一些公司正在將TPC視為一種重復使用材料的方法。由熱塑性復合材料應用中心和熱塑性復合材料研究中心運營的一項此類回收計劃，其重點是從TPC加工到收集、切碎的生產(chǎn)廢料再利用。

TPC-Cycle項目致力于為高端、大批量市場開發(fā)價格合理，環(huán)境友好的回收途徑，同時生產(chǎn)可回收材料，該材料應盡可能保留原始熱塑性材料的許多機械性能。此次合作包括來自材料、制造、設(shè)計和應用的多個行業(yè)合作伙伴，包括GKN Fokker，Toray Advanced Composites，Cato Composite Innovations，Dutch Thermoplastic Components和Nido RecyclingTechniek等。