昨天11月8日，广东珠海，第十四届中国国际航空航天博览会在各色飞机表演的轰鸣声中举行，这就是军迷和航空航天迷的节日！作为一名“伪军迷”的小编，一边摸鱼收看视频直播。一边满怀激情地编撰此文。

不言而喻，航空航天领域，对材料的要求是超过普通工业级应用而属于最为严苛的那一档。更轻、更快、且更可持续是新一代航空装备必须要不断追求的，使用高性能、轻质化、极端服役环境、多功能智能化的先进材料是获得这些特质的一种解决方案。本公众号曾经介绍过高分子聚合物材料（塑料）在航空航天领域的应用，今天换个角度，来聊一聊热塑性复合材料在航空航天领域的应用。

热塑性复材的概念及典型特性

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。热塑性复合材料正逐渐成为研究重点，利用碳纤维增强聚合物（CFRP）的高比刚度和强度来设计更轻质、更高强的飞机。

高分子聚合物基体材料中加入碳纤维等进行增强，目前复合材料中使用的主要热塑性塑料包括聚醚酮酮（PEKK）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、尼龙（Nylons）、聚醚酰亚胺（PEI）等，因此热塑性复合材料具有许多与热塑性塑料相关的优点，包括轻质、延展性、易成型、抗疲劳性、抗腐蚀特性，又能够继承增强材料的刚度、减震、抗疲劳性等优势。例如碳纤维增强塑料的飞机机身面板，它可以为飞机的机体提供更强的刚度，面对高空气流中可能对机体造成的冲击损伤进一步提升可抗性，并且降低更多的整机重量，对飞行过程中的能耗再减少。但是热塑性复合材料更具有以下典型的特性：

• 高韧性 - 热塑性复材已被证明在典型的航空航天测试中表现出更高的韧性。当发生内部裂纹时，复材表面可以保持不变。因此，拥有一个能够抵抗裂纹扩展且不易受到损坏的基体系统是一大好处。

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• 室温保存 - 热塑性预浸料可以保持在室温下，而不会降低性能，因为热塑性复材无需担心化学反应。这消除了对冷藏运输和冷藏的要求，而冷藏往往会使热固性复合材料的物流变得更加复杂。由于不用考虑超时时间，因此也可以使用更复杂的零件。

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• 再成型 - 热塑性材料可以重新成型加工，因为热塑性树脂可以多次冷却和加热而不会影响性能。使用后的零件可以分解，并用作压缩成型或注射成型等替代工艺的原料。复材可以形成复杂的轮廓和形状，某种意义来讲使得飞机可以被塑造，而不是机械加工。

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  举一个注塑成型案例：无人机螺旋桨一般由塑料制成，高端螺旋桨有的由高强度复合材料制成。伯乐塑机的碳纤产品智能成型线（CIML）为顾客“大疆”提供了纤维增强复合材料成型技术解决方案，是无人机轻量化技术的利器，增加高刚性的同时减轻了机身重量，实现无人机的速度与续航能力大幅提升。下图是伯乐机器BL520DK/CIML2500生产大疆工业无人机叶片，材料为PA6+CF（碳纤），产品重量200g(带水口)，成型周期40s。

最广泛且普遍的热塑性复合材料成型技术有自动纤维铺放和胶带铺放，热成型（类似常用于非增强塑料的热成型），连续压缩成型（CCM）等几种。热塑性材料的生产、成型和制造的进步等因素，成为热塑性材料获得日益增长的主要因素。在一些航空航天应用中，这些材料比热固性塑料和铝等金属具有明显的优势。它们还与航空航天制造业的新兴趋势相吻合，包括飞机组装和生产速度加快、先进商用飞机设计的发展等。

应用进程

正是基于以上优点，热塑性复合材料得到了航空航天领域的青睐，成为未来复合材料发展的一个重要方向，其应用发展与热固性复合材料相似，同样经历了以下三个阶段：

第一阶段：热塑性复合材料应用于飞机内饰、舱门、口盖、整流罩等非承力部件。

第二阶段：用于飞机固定面前后缘、襟翼、副翼、方向舵等操纵面等受载较小部位，规模也较小。

第三阶段：用于飞机机翼、尾翼、机身等受载较大、规模较大的主盒段结构。目前，国外热塑性复合材料应用已经到第三阶段。

今年5月14日，我们欣喜地迎来了国产首架C919大飞机首次飞行试验的圆满完成！据悉，在 C919的“皮肤”上，先进复合材料的用量达到了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，机翼、水平尾翼、中央翼盒都使用了复合材料结构件。飞机结构件大规模使用复合材料，是现代飞机制造史上的一次革命性变化。它使飞机重量更轻、强度更高、耐疲劳耐腐蚀性更好，而且复合材料中的高强度碳纤维进行大规模工业化生产后，可以使飞机的制造成本更低。同时在计算机技术、激光、C扫描等先进科技的支持下，复合材料制造飞机结构件的品质能够更加可靠地保证飞机的安全性。

C919结构件大规模使用复合材料

热塑性复材如何支撑新一代飞机发展？

热塑性复合材料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（Urban Air Mobility，UAM）飞行器等新兴市场。每个领域都需要轻型、高性能的飞机，而热塑性复材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。

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• 可消耗飞行器： 可消耗飞行器是国防领域的战略发展重点（军用无人机），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。无人机所用复合材料结构主要包括层压板结构、夹层结构，由于其很强的可设计性，在结构部件的整体设计中可以大大减少无人机零部件数量，

军用无人机

• 城市空中交通等新兴市场：这些新兴市场将与如今制造和生产飞机的方式大不相同。热塑性复材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。下一代航空航天设计将需要更快的制造和装配，热塑性塑料零件的制造速度非常符合飞机制造商和设计师的预期需求。与之形成对比的是，如果零件由热固性材料制成，则在叠层后必须使用高压釜对零件进行加压和固化。相比之下，热塑性材料可以通过先进的热处理进行加固，从而缩短飞机生产所需的制造时间。






城市空中交通（UAM）

结语

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，都是行业内最伟大的头脑设计诞生的。与传统材料相比，先进的热塑性复合材料凭借其更灵活、更轻盈、更易塑造的包容特性为下一代更具创造性和灵活性的飞机的设计者们提供了一个扩展的材料工具箱，这也是其活力所在，在航空航天领域具有十分重要的地位。

 

中国正在腾飞！热塑性复合材料在中国航空航天领域的故事才刚刚开始，它是未来发展我国航空航天工程最有前途的材料。提高复合材料的耐热性、强度和韧性是发展复合材料的关键，同时要在研究低成本复合材料的制造技术上加大力度，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，是时候优先考虑热塑性复合材料的开发了，使得最新一代飞机所具备的先进功能和想法得以实现。









先进复合材料的应用使得人类翱翔蓝天、登上月球的梦想变成现实，让我们期待日后热塑性复合材料在这一领域更加靓丽的表现！