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在國內(nèi)外 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)。下表所示為聚醚醚酮(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。

熱塑性復(fù)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(yù)浸料，織物內(nèi)包含熱塑性樹脂。

這些材料主要用于非常大的連續(xù)結(jié)構(gòu)，例如尾部升降機(jī)、襟翼和前緣等。如東麗先進(jìn)復(fù)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(qiáng)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(jīng)過高溫和高壓熱成型程序以獲得高粘度熱塑性樹脂的強(qiáng)纖維束浸漬。在陶瓷加熱器下加熱數(shù)分鐘可實(shí)現(xiàn)層壓板快速加熱，然后移至熱成型壓力機(jī)中，在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)即可生產(chǎn)出復(fù)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(yōu)點(diǎn)是能夠使用纖維鋪放設(shè)備和自動鋪帶以獲得最佳效率。通過連續(xù)壓縮成型、膠帶鋪設(shè)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。

2. 熱塑性復(fù)合材料制造技術(shù)

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)多級輥輪后進(jìn)入分絲系統(tǒng)，多級輥輪的作用是調(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所示。

熱塑性預(yù)浸帶熔融浸漬法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、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、纖維展開不充分會導(dǎo)致浸漬效果差，纖維束內(nèi)孔隙率高。英國ICI公司通過長期努力，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TenCate, 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。下圖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，樹脂粉末顆粒可很容易進(jìn)入纖維束內(nèi)部，這樣樹脂熔融后浸漬纖 維要求的流動距離較短，因此流化態(tài)浸漬法對熱塑性樹脂的熔體黏度依賴性小，對纖維的浸透性好。目前，德國巴斯夫公司和美國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。

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)致對成型設(shè)備要求高，制造成本高等問題。

自動鋪放（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。

近年來國內(nèi)外開發(fā)了激光加熱自動鋪放設(shè)備，開展了PEEK熱塑性復(fù)合材料自動鋪放原位固結(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)自動化等優(yōu)點(diǎn)。

熱塑性復(fù)合材料的超聲焊接技術(shù)分為4個(gè)階段：首先是在壓力的作用下放置于連接工件之間的能量導(dǎo)向薄膜與連接工件的表面接觸，此時(shí)在連接工件接觸表面之間的能量導(dǎo)向薄膜在超聲波作用下產(chǎn)生大量熱量，能量導(dǎo)向薄膜開始熔化并產(chǎn)生流動，從而使得兩個(gè)連接工件之間的距離減小；兩個(gè)連接工件表面之間距離的減小使能量導(dǎo)向薄膜的熔化速率進(jìn)一步提高，導(dǎo)致連接工件表面樹脂基體熔化；熔化的能量導(dǎo)向薄膜在需要連接的復(fù)合材料工件表面流動并浸潤；最后在壓力作用下，多余的熔化樹脂從界面中被擠出，冷卻后形成熱塑性復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)。

（未完待續(xù)）

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