航空航天·热塑性复合材料在航空领域的应用趋势

波音公司预测到2039年全球商用飞机数量将显著增加，推动了对更轻质、更高效飞机的需求。热塑性复合材料因其轻质、高强度、耐疲劳和可回收性成为航空航天制造商的重要选择。与传统金属相比，热塑性复合材料部件展现出更高的性能，同时具有更好的抗冲击性和损伤容限。技术进步加速了热塑性复合材料部件的生产，降低了成本。

根据波音公司的 2020-2039 年商业市场展望，到2039年，全球将有48,400架商用飞机飞行，比2019 增加22,500 架。与此同时，航空公司正在加快旧飞机的更换周期，以提高机队的效率和可持续性。热塑性复合材料可以帮助航空航天制造商满足这种迅速增长的需求。

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。

   

热塑性复材在航空中的重要作用

热塑性塑料为该行业提供了许多优势，轻质碳纤维增强热塑性塑料 (CFRTP) 部件具有出色的强度和刚度；耐腐蚀性、耐化学性和耐疲劳性；和耐用性。它们的性能通常优于同等金属部件。

此外，轻质结构的抗冲击性能近年来得到了十分广泛和深入的研究，涉及的载荷有接触和非接触式的空气以及水下爆炸、高速破片侵彻和撞击等，对于其工程应用有重要的指导意义。热塑性复合材料由于半结晶高分子良好的耐热性，刚度和韧性，因此具有比热固性复合材料高的损伤容限，韧性和耐冲击性能，这在航空中有着天生的优势。其中，碳纤维增强复合材料层合板凭借其高比强度、高比模量以及较好的隐身吸波性能，在航空航天领域以及快速响应舰船工业中已经取代了部分传统的金属材料和结构，成为现代三航工业领域不可或缺的一部分。

 

它们也是一种可持续材料，热塑性部件的重量比相应的金属部件轻，使航空公司能够减少燃料和碳排放。此外，热塑性复合材料是可回收的，因此制造商可以将生产废料和报废零件中的材料熔化并重新使用。

更广泛采用热塑性飞机零件的一个缺点是生产速度。直到过去十年左右，用于热塑性塑料的布局、整合和零件成型工艺与用于热固性塑料的工艺相似。这包括高压灭菌处理，这可能需要数小时。

材料和制造方面的发展为加快生产开辟了道路。使用自动化设备和非高压釜加工，制造商证明他们可以以更快的速度生产出质量更高的热塑性塑料部件，使其成为飞机生产的一种具有成本效益的选择。

设计师也越来越适应热塑性塑料。特别是在欧洲，预测建模和软件增加了工程师对材料的信心。“一旦原始设备制造商和一级供应商的工程团队了解如何设计和实施材料，并对制造过程充满信心，您就能够真正克服说‘这是新的’的心理壁垒。我不知道如何在生产项目中设计和实施热塑性塑料。”相关人员说。

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。

   

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最佳应用：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首选关注成本效益，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。

   

热塑性复合材料的应用

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。

最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.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。

3. 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。最佳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。

4. 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。

5. 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首选材料。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。

来源：贤集网（UTPE弹性体门户,前沿材料，碳材料科技）、ACMA、荣格复材技术

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