【专业讲堂】蓄势待发：详细盘点国外热塑性复合材料进展及其应用优势
热塑性复合材料（TPC）对于航空航天领域而言并不陌生，但在过去几年中，商用飞机中的热塑性材料使用达到了顶峰，TPC在支架等较小零件或较小的内部组件的应用已有一段时间了，而目前热塑性塑料正逐渐进入较大的飞机结构中，并有望在未来的商用飞机中发挥更大的作用。
近两年国外热塑性复合材料焦点事件
2018年3月，全球最大的碳纤维制造商东丽工业株式会社以9.3亿欧元的价格收购了TenCate Advanced Composites。此举似乎是为了增强东丽的TPC能力，为下一波商用飞机的发展做准备。该消息宣布后不久，美国Hexcel和阿科玛公司宣布，将Hexcel在碳纤维制造方面的技术与阿科玛的聚醚酮酮（PEKK）树脂相结合，建立战略联盟，以开发用于航空航天的热塑性复合材料。
2018年4月，位于德国奥格斯堡的Premium Aerotec GmbH推出了空中客车A320压力舱壁的演示器，该飞机是在热塑性基体中使用碳纤维开发和制造的。该演示器由八个焊接段组成，证明了热塑性塑料的可焊接性及其如何具有使飞机部件更大的潜力。
Premium Aerotec的A320压力舱壁说明了热塑性塑料的可焊接性并具有可用于制造更大的飞机部件的潜力。
2018年8月，Solvay，Premium Aerotec和佛吉亚清洁交通成立了IRG CosiMo 联盟，该联盟致力于材料的开发，旨在实现用于航空航天和汽车市场的热塑性复合材料大批量生产的加工技术。
自2017年6月以来，Solvay一直与GKN Fokker合作，通过采用TPC以实现大型航空航天结构改进。该公司于2017年9月启动了PEKK聚合物生产，然后在2018年将其合格的UD热塑性胶带产能增加了一倍。2019年，Solvay在美国乔治亚州阿尔法利塔市成立了一个专门的TPC研究实验室，旨在开发下一代材料。
日本帝人Teijin Ltd.于2019年1月宣布，其TENAX碳纤维和碳纤维/热塑性单向预浸胶带（TENAX TPUD）已获得波音的认证，可作为复合材料的高级中间体用于主要结构部件。
随着热塑性复合材料技术和材料的进步，人们逐渐关注到航空业在未来几十年中TPC的作用正变得越来越重要。制造商有兴趣利用TPC的制造优势和快速的加工时间，并希望使用TPC制造更大的结构，例如机身面板和肋板。另外，TPC具有很高的断裂韧性、良好的机械性能、可回收性和低毒性，并且可以在室温下存储。随着OEM和航空航天级供应商对热塑性塑料越来越熟悉，它们已用于更复杂的零件、焊接组件和基本结构。
热塑性复合材料的可加工性
TPC在飞机工业中找到自己位置的一大原因是它们的可加工性。由于热塑性塑料已经完全聚合，因此其生产率要比必须固化的热固性塑料快。“当你查看如今制造热固性零件所需的时间并将其与制造热塑性复合材料零件所需的时间进行比较时发现，热塑性的速度要快大约10倍，”总裁兼首席执行官Mike Favaloro说道。
与热固性AFP相比，热塑性自动纤维铺放（AFP）的一大优势加工时间更快从而可提高生产率。在原位层压和非高压釜（OOA）合并后可以节省成本。ATC制造公司业务发展总监David Leach 承认，热塑性塑料的单位成本超过了热固性塑料的成本，但他认为TPC材料价格将下降。此外，加工效率为当今降低成本提供了机会。复合材料行业的普遍共识是，与热固性塑料相比，目前OOA热塑性塑料工艺可节省30％以上的成本。
Leach指出：“即使飞机已经投入生产，热塑性塑料也正在进入程序中。这证明了热塑性塑料的成本优势。”高性能基体聚合物的潜力已经超出了市场上目前可用的范围。Solvay超高分子材料主管Doug Brademeyer表示，该公司正在内部和与合作伙伴一起开发针对不同制造工艺定制的量身定制的聚合物。Brademeyer说：“我们对这些量身定制的PAEK解决方案感到兴奋，并可以根据客户需求将其快速应用于我们在世界范围内的资产中的商业化。”
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低熔点PAEK
随着飞机原始设备制造商和供应商竞相提高生产率和缩短周期，可加工性成为关键。聚醚醚酮（PEEK）具有最大的数据库和最广泛的合格性，长期以来一直是热塑性聚合物的首选。但Favaloro认为，低熔点聚芳醚酮（LM-PAEK）具有一些优点，特别是在ATL等自动化加工方法中。
“PEEK可通过冲压成型和连续成型进行加工，但LM-PAEK加工温度较低，工作粘度较低，可实现更好的自动化加工，结晶度较低，可降低残余成型应力。LM-PAEK具有350-385℃的宽工艺窗口。作为参考，聚苯硫醚（PPS）的加工温度范围为330-350℃，而聚醚酮酮（PEKK）和PEEK的加工温度分别为380℃和400℃。Toray Advanced Composites公司的首席技术官斯科特·昂格（Scott Unger）说：“这种材料由于其可加工性而获得了如此大的吸引力。”
“开发TC1225的目的是创造一种在接近PPS使用温度下能够容易加工的产品，从而对最终用户具有有利的成本地位，并具有PEEK的机械和流体阻力特性，”Unger说。“有了TC1225 LM PAEK，我觉得我们实现了所有这些目标。Cetex TC1225目前正在接受国家先进材料性能中心的认证。
据报道，使用LM-PAEK的胶带可以提高铺放速度。Victrex航空航天SBU主管Tim Herr说：“我们可以实现的原位AFP和高压釜外固结AFP的铺设速度是前所未有的。”他表示，在烘箱固结面板上可以实现每分钟60米的铺设速度。在质量方面，Unger声称低熔点PAEK提供了使用原位纤维铺设获得与纤维铺设层压板相同层压板质量的能力，该层压板是通过纤维铺设后的烘箱固化而成的。
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复合材料粘接
TPC的可焊性是用于飞机开发的材料的一大优势。熔融粘合/焊接为机械紧固和使用粘合剂寻找到了替代方法，而这两种方法都是用于连接热固性复合材料零件的。Solvay产品开发总监Stephen Heinz表示：“连接和焊接在装配的未来起着重要作用，并且有可能削减成本并提高航空结构的可靠性。GKN Fokker等公司正在率先展示焊接技术。”
GKN Fokker一直致力于开发TPC welding，自1990年代就开始尝试对热塑性塑料进行电阻焊接。该公司一直在使用热塑性焊接工艺来连接尖端的内部肋骨和外壳。在2019年JEC世界展览会上，该公司展示了使用Solvay APC（PEKK-FC）UD胶带制造的按区域划分的热塑性复合材料机身面板。该成果是GKN Fokker和湾流航空航天公司之间的联合研发项目的结果。据报道，由于简单的“对接”正交网格加强和完全焊接的框架，该零件是成本最低的复合材料板。
GKN Fokker展示的一种采用区域规则的热塑性复合材料机身面板
GKN Fokker热塑性复合材料技术开发负责人Arnt Offringa解释说：“使用热塑性塑料，可以通过将网格“对接”到皮肤上来大大简化正交网格。“网格现在仅由简单的扁平预成型件组成，这些预成型件与蒙皮层压板共同固结在一起，从而形成了低成本，整体硬化的外壳。将框架焊接到网格上。这些焊缝承受剪切力，因此可以省去所有螺栓。”
虽然焊接热塑性结构已经在飞机机舱上使用了一段时间，但该技术现在似乎已准备好用于主要结构。Mike Favaloro认为，航空航天制造商和OEM厂商对TPC尤其是过程控制越来越有信心。他说：“在10年的时间里，我们将看到它应用会越来越广泛。”
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可回收性
TPC的另一个好处是可回收性。由于热塑性聚合物可以重熔和重塑，因此一些公司正在将TPC视为一种重复使用材料的方法。由热塑性复合材料应用中心和热塑性复合材料研究中心运营的一项此类回收计划，其重点是从TPC加工到收集、切碎的生产废料再利用。
TPAC和TPRC的TPC-Cycle项目专注于从收集到切碎，再加工到应用的生产废料
TPC-Cycle项目致力于为高端、大批量市场开发价格合理，环境友好的回收途径，同时生产可回收材料，该材料应尽可能保留原始热塑性材料的许多机械性能。此次合作包括来自材料、制造、设计和应用的多个行业合作伙伴，包括GKN Fokker，Toray Advanced Composites，Cato Composite Innovations，Dutch Thermoplastic Components和Nido RecyclingTechniek等。
（来源composites world）