热塑性复合材料或将成为航空界的“扛把子”，6大应用抢先看
随着对材料的不断探索，热塑性复合材料市场需求增长迅猛，美国复合材料制造者协会ACMA为此专门成立了一个复合材料增长组，目的就是向终端用户和热固性复合材料制造商大力推广和宣传热塑性复合材料，以此来让热塑性复合材料拥有更多的市场。
在国外掀起热塑复合材料的潮流之际，国内市场高性能热塑性复合材料的应用却还处于“波澜不惊”的状态，无论是制造商还是客户，似乎都还没有正式进入状态。
不过，热塑性复合材料在航空界的应用技术已经落地。
近日，我们欣喜地迎来了首架C919大飞机首次飞行试验的圆满完成！据悉，在 C919的“皮肤”上，第三代铝锂合金材料、先进复合材料的用量分别达8.8%和12%。对标波音737和空客A320两种型号的“竞争对手”，C919上先进复合材料的使用量也更多。
C919的诞生标志着国产大飞机即将迈入商业运营时代。让我们期待国产大飞机正式交付的同时，也对先进复合材料在航空航天的应用有了更多期待。
那么今天，让我们来看看国际专家对于热塑性复合材料在航空业的未来应用展望：
据spiritAeroSystems公司网站2022年刊文，当你看飞机时，你首先想到的是什么？先进航空装备是“时间胶囊”，里面承载着一代人***、***伟大的想法。那么，当对飞行的未来进行展望时，人们希望下一代飞机能够展示这个时代的哪些特质？更轻、更快、且更可持续是必须要不断追求的。使用先进的结构热塑性复合材料让新一代航空装备获得这些特质的一种解决方案。但由于缺乏合适的设备、契机和研发重点，热塑性复合材料目前无法在整个行业中充分发挥潜力。
下一代制造工艺的开发，如自动成型、材料铺放和焊接，必须实现工业化，以使热塑性复合材料在大规模航空航天制造领域广泛投入应用。
那么，为什么热塑性复合材料在航空航天中很重要？热塑性复合材料将如何支撑下一代飞机发展？热塑性复合材料性能如何满足项目需求？前沿的热塑性复合材料实际应用有哪些？
为什么热塑性复合材料在航空航天中很重要？
铝和钢等传统金属占飞机生产制造过程中材料用量的70%。但市场对更轻质、更高效的飞机需求正不断上升。在减轻飞机重量的热固性复合材料方面，研究人员已经拥有丰富的专业知识，随着行业发展，热塑性复合材料也逐渐成为研究重点。两种类型材料都使用碳纤维增强聚合物的高比刚度和强度来设计更轻质、更高强的飞机。
目前，热塑性复合材料正取代各类应用中传统材料，通常应用于较小的零部件。在较大的部件中使用热塑性复合材料，如纵梁、框架、舱壁和机身蒙皮板等，航空装备减重效果将非常显著，整个行业也会极大受益。斯普利特的目标是在可以实现自动化高速制造的领域成熟使用热塑性复合材料，这意味着能够在非常短的周期内反复实现熔塑、成型和固化过程。
热塑性复合材料将如何支撑下一代飞机发展？
热塑性复合材料已明确可以在三个关键领域得到***应用：新一代常规飞机、可消耗飞行器和城市空中交通（UAM）飞行器等新兴市场。每个领域都需要轻型、高性能的飞机，而热塑性复合材料制造的零部件易于生产、成本低廉且坚固耐用。
常规飞机。下一代常规飞机（主要是新一代单通道窄体民用客机），需要优先考虑减少排放和节省燃料成本，同时兼顾制造成本降低，需要使用能够减轻重量、经济实惠、易于回收且保证质量的材料。
可消耗飞行器。可消耗飞行器是国防领域的战略发展重点，这类飞行器往往是无人驾驶的，旨在辅助载人飞行器执行冒险性任务，规避人身风险。因此这类产品需要生产制造***关注成本效益，这样才能在挽救飞行员生命的同时牺牲它们，不会造成较大的经济损失。
城市空中交通等新兴市场。一些新兴市场，如城市空中交通飞行器，将与如今制造和生产飞机的方式大不相同。热塑性复合材料及相关工艺技术的发展可以辅助其快速周转，实现这类飞行器的大批量制造。
热塑性复合材料性能如何满足项目需求？
充分研发材料使得其性能满足装备需求需要经过多年的发展。掌握复杂制造过程中所需的专业知识使整个行业都将面临巨大挑战。斯普利特公司已经优先考虑了热塑性复合材料制造领域的流程改进。通过研发，斯普利特公司正在寻找创造性的方法使热塑性复合材料成为更常用的材料。
此外，斯普利特公司目前正在继续开发热塑性复合材料相关技术，以应对未来的应用需求。其中一些功能包括：
自动纤维铺放技术(AFP)。作为世界上***大的自动纤维铺放机用户，斯普利特公司正在将此项功能应用于热塑性复合材料丝束的高速铺层。这种高效的制造技术降低了成本并能够实现大规模制造，生产出更具成本效益的结构。斯普利特公司近期采购的热塑性复合材料自动纤维铺放头是同类产品中的***，这款产品展示了斯普利特公司利用自身的技术专长来提高热塑性复合材料的制造能力。
热塑性复合材料感应焊接技术使用线圈和高频交变磁场在导电增强材料中感应涡流以产生热量。通过这种工艺，热塑性复合材料部件在加压条件下融合在一起，形成一个一体化的“粘合”组件，且无需额外材料，如粘合层中的粘合剂等。这项技术通过在没有紧固件的情况下连接零部件实现飞机减重，并能够允许更快速的部件组装生产速度。斯普利特公司在2020年美国复合材料制造商协会(ACMA)热塑性复合材料分会上展示了飞机前轮舱隔板组件，该部件显示了大型复杂几何形状自动纤维铺放热塑性复合材料制造能力，同时还采用了斯普利特公司专有的感应和电阻焊接技术进行的装配。
大规模复杂结构成型。为了***大限度的利用好高速焊接，组件必须兼容热塑性复合材料。斯普利特正突破传统的热塑性复合材料冲压成型的规模和复杂性极限，并探索用于成型具有可变横截面的高纵横比零件的替代方法。斯普利特正在开发的复杂冲压成型零件，其典型件就是利用铺层递减和丝束牵引技术制造的机身框架部分。
如今的飞机全身都充满了历史的智慧。每架机器，从军用直升机到商用喷气式飞机，都是行业内***伟大的头脑设计诞生的。得益于热塑性复合材料等创新技术，目前的飞机正在努力改变外形设计，使其比以往任何时候都更好、更轻。热塑性复合材料在航空航天领域的故事才刚刚开始，目前仍然需要更精湛的工艺才能使这种材料在航空航天制造领域变得更加通用。在当前的飞机设计与制造过程中，斯普利特公司认为是时候优先考虑热塑性复合材料的开发，使得***一代飞机所具备的先进功能和想法得以实现。
6种热塑性复合材料技术趋势
热塑性复合材料在飞机和航天器中的应用越来越多，以减轻重量，提高质量，降低制造和维护成本。
1. 使用与消毒剂兼容性更强的抗菌塑料，用于飞机内饰
飞机内部表面的清洁和消毒方式可以迅速降解传统塑料材料。
***初为医院使用而开发的新型抗菌和抗消毒剂塑料现在正被指定用于飞机内饰。这些材料的配方是为了满足商业飞机所要求的严格的火焰、烟雾、毒性和热释放的标准。
2. 为高性能通信天线罩选择不干扰射频（RF）信号的塑料
依靠射频信号控制飞行操作的无人驾驶飞行器（UAV）、无人机和卫星的激增，增加了对高度可靠天线的需求。***的天线功能要求塑料天线罩在所需的频率和整个设备的工作温度范围内不会明显衰减射频信号。具有低介电常数和低耗散系数以及增强的韧性、抗紫外线（UV）性和热成型性的专用工程塑料正越来越广泛地被指定用于保护天线天线罩。
3.指定高强度的热塑性复合材料以减轻重量，提高燃油效率
需要高强度和高刚度的航空结构传统上都是由金属或热固性复合材料制成。然而，这些材料有一些显著的限制。金属很重，限制了它们在需要轻质的航空航天应用中的使用。热固性复合材料往往是脆性的，通常具有较差的耐化学性。热固性制造是劳动密集型的，大多数热固性复合材料不适合在100℃以上的温度下使用。
恩辛格公司开发的一类新的热塑性复合材料的强度和模量（硬度）值可与金属和热固性材料相媲美。该技术涉及连续玻璃纤维或碳纤维嵌入热塑性聚合物基体，通常由聚醚醚酮（PEEK）或Ultem PEI（聚醚酰亚胺）组成。由于基体是由高性能、热稳定的塑料制成，这些复合材料可以在高温下使用。
热塑性复合材料具有许多与热塑性塑料相关的优点，包括延展性、抗疲劳性和减震特性，以及对燃料、润滑剂和清洁化学品的抵抗力。由这些材料制成的板材可以使用加热的金属工具快速成型为成品部件，降低了制造成本。
4. 选择低可燃性、高介电强度的塑料进行电气绝缘
长期以来，塑料一直是需要电气绝缘性能的应用的***材料。现代军用和民用飞机的电气系统可能特别具有挑战性，因为除了具有良好的介电强度和抗电弧性外，聚合物绝缘体还必须对飞机燃料和润滑剂具有耐受性；能够承受振动、磨损和疲劳；并具有出色的可燃性。飞机上的塑料绝缘子还必须在广泛的温度范围内工作--从巡航高度的极冷到喷气发动机附近的极热。
飞机电气系统设计者现在指定使用含氟聚合物，如聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙烯丙烯（FEP）和全氟烷氧基烷烃（PFA），以及高性能热塑性塑料，，用于要求严格的航空电气应用，括支架绝缘子、收缩管和柔性电线包绝缘。
5. 采用创新的塑料来创造***的飞机内饰
商用飞机正变得越来越***，其内部装饰可与豪华酒店大堂媲美。传统上，飞机内饰的印刷图案是有问题的，因为高流量区域暴露在磨损和反复清洗中，会迅速降低印刷效果。
较新的技术，如KYDEX热塑性塑料的灌注成像技术，允许设计师使用材料中而不是材料上的图像创建定制环境。
在用于管理传输商业飞机上的光的塑料透镜材料方面也取得了重大进展。新的聚合物配方使LED灯具有高透光性、良好的扩散性和精确的色彩控制。使用高性能塑料的光线管理正在对飞机内部空间的美学产生积极的影响。
6. 选择耐用的高温塑料来分隔金属表面，以提高可靠性
由于配对的金属表面受到振动和/或滑动磨损时的固有问题，金属与金属的连接往往是飞机组件的故障点。越来越多的设计者将韧性好、性能高的聚酰亚胺材料用于诸如花键联轴器和锁定紧固件的防旋转元件，以分离金属部件的应用。在组件中引入聚合物元素可以延长使用寿命，并延长所需维护周期的间隔时间。
对于通过连接的旋转金属轴向各种飞机系统传输动力的花键连接，由杜邦Vespel聚酰亚胺制成的高温联轴器被安装在配对的金属花键之间，以实现更顺畅的操作和更长的寿命。当旋转的金属轴轻微错位时，这种方法可以减少花键的磨损。聚合物的延展性允许轴的错位，而不会对金属轴、轴承或驱动电机产生过度的压力。
在航空锁定紧固件中，杜邦Vespel聚酰亚胺被用作螺母或螺栓中的延展性锁定元件，以防止不必要的旋转，而在组装或拆卸维修时不损坏配套的金属紧固件。这种聚合物元件可防止与所有金属锁定紧固件设计相关的咬合。
在这两个例子中，聚合物的延展性和磨损性能减轻了与金属间接触有关的问题。
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