热塑性复合材料研究及其在航空领域中的应用

郭云竹

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

热塑性复合材料研究及其在航空领域中的应用

郭云竹

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

本文介绍了热塑性复合材料的分类与组成，并简述了短纤维粒料(SFT)、长纤维粒料(LFT)、玻璃纤维毡增强热塑性片材(GMT)、织物预浸料和单向连续纤维增强热塑预浸料(CFRTP)的各自优点，连续纤维增强热塑性树脂的预浸料的主流制备工艺。结合高性能热塑性复合材料在国外航空领域中的应用，展望了其在我国的发展方向。

热塑性复合材料；SFT ；LFT； GMT； CFRTP；粉末法；熔融法；混纤法；薄膜层叠法；溶剂法

1 引 言

热塑性复合材料由不连续/连续纤维增强(如碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维)在结构热塑性聚合物(如聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK))中组成。热塑性聚合物的热结构具有可逆性，当温度高于其玻璃转变温度时软化，而当温度低于该温度时固化。

热塑性复合材料的优点包括：质量轻、成本低、高比强度和硬度、增强震动阻尼和声音衰减、增强冲击损伤容限(动态能量吸收)、设计自由度高、能够模塑成型复杂几何形状和结构、优良的剪切和断裂强度、可调的导热性、可回收性、具有电磁屏蔽能力、恶劣环境中的坚固/耐久性以及对环境无害性。

对于热塑性复合材料的分类，一般是按有效纤维长度定义的。热塑性复合材料分为短纤维粒料(SFT)、长纤维粒料(LFT)、玻璃纤维毡增强热塑性片材(GMT)、织物预浸料和单向连续纤维增强热塑预浸料(CFRTP)[1]。

2 长纤维增强热塑性复合材料

LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastics)广义上是指所有长玻璃纤维增强的热塑性塑料，狭义上指挤出复合的热塑性复合材料粒料或片材，粒料可以注塑成型制品，片材可以模压成型制品。与传统的短纤维增强粒料相比，长纤维增强热塑性复合材料在结构上有着显著不同：长纤维粒料中，纤维在树脂基体中沿轴向平行排列和分散，纤维长度等于粒料长度，且被树脂充分浸渍；而短纤维粒料内，纤维无序地分散于基体当中，其长度远小于粒料的长度且不均匀。

短纤维与长纤维粒料结构上的不同主要取决于制备工艺的不同：后者在制备过程中纤维一直处于连续状态，经切粒后得到固定的长度；而前者在制备之前要先进行粉碎，然后再与树脂基体通过螺杆挤出机挤出后造粒制成，或者是连续纤维和树脂基体经螺杆挤出机挤出后造粒制成。可见短纤维粒料在制备过程中都要经过螺杆挤出机的挤出工序，而在这个过程中因为受到螺杆和熔体的剪切力作用，大部分纤维被严重损坏，纤维长度大大减少[2]。表1为几种LFT片材性能。

表1 LFT片材材料性能[3]

短纤维与长纤维粒料结构的不同导致了两者在性能上也存在明显差异，与短纤维增强热塑性复合材料相比，长纤维增强热塑性复合材料具有以下优点。

(1)长纤维增强热塑性复合材料的纤维长度较长，而且纤维分散较为均匀，可以显著提高复合材料的力学性能，如拉伸、弯曲、冲击性能等。

(2)比刚度和比强度高，抗冲击性能好。

(3)耐蠕变性能高，尺寸稳定性好，可以提高制件的精度。

(4)耐疲劳性能优良，在高温和潮湿的环境中稳定性更好。

3 连续纤维增强热塑性复合材料

CFRTP(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics)是指以连续纤维作为增强材料、以热塑性树脂为基体，通过特殊工艺制造的高强度、高刚性、高韧性的新型复合材料。由于CFRTP的增强纤维是连续的，其力学性能远高于长纤维增强热塑性复合材料的部件。大多数热塑性树脂在熔融温度下，因其黏度仍然较高而不能很好地浸渍纤维织物，因此，热塑性树脂基复合材料的预浸料制备最大的困难在于热塑性树脂的高黏度。目前，连续纤维增强热塑性树脂的预浸料的主流制备工艺有以下几种：

3.1 熔融法

熔融法是最常用的热塑预浸工艺。包含的工序有纤维引丝、展丝、预热、浸渍、冷却、收卷等。熔融法的难点在于树脂黏度大，浸渍时间短，会导致中空干斑、纤维需要得到良好且无损分散等。

3.2 粉末法

按照粉末的干湿状态，粉末法可分为干法粉末浸渍和湿法粉末浸渍。干法粉末主要借助气体流化和静电吸附等手段，使树脂粉末吸附到经过树脂粉末区域的纤维表面及纤维束间，然后经过加热熔融制得预浸料[4]。湿法粉末浸渍是将树脂粉末与易挥发非溶解型液体配制成悬浮液，当纤维经过溶液时，纤维得到良好分散并使树脂粉末黏附到纤维表面及纤维束间，再经过加热快速除去液体和熔融压辊浸渍成型的工序，获得预浸料。图1为粉末法原理示意图。

图1 粉末法原理

3.3 混纤法

混纤法浸渍工艺是预先制备与增强纤维匹配的热塑性树脂基体纤维，通过水相或气相法将其与增强纤维进行分散，然后合股成束，得到分散均匀的混合纤维束，再通过熔融定型即可获得良好浸渍效果的预浸料[5]。但混纤和编织的过程会对纤维造成一定程度的损伤，从而降低了复合材料的性能。

3.4 薄膜层叠法

薄膜层叠法是指通过吹塑或对辊挤出将热塑性树脂制成薄膜，然后把纤维或织物(包括毡)与薄膜隔层交替堆积铺放，通过加热加压使纤维或织物得到浸渍。这种方法工艺简单，生产效率高，如果压制参数选取合理，是可以利用这种方法生产出高质量的复合材料。图2为薄膜层叠法示意图。

图2 薄膜层叠法

3.5 溶剂法

为了降低热塑性树脂的黏度，利用溶剂将树脂完全溶解配成胶液，然后使连续纤维通过胶液得到浸渍，再烘干除去溶剂，便得到预浸料。但热塑性树脂一般都具有较好的耐溶剂性，这就使得溶液浸渍具有很大的局限性；同时，在浸渍过程中，溶剂会挥发到环境中，对人身安全和健康带来隐患；另外，在除去溶剂的过程中，溶剂挥发会在预浸料中产生气泡，从而影响最终制品的力学性能。

4 热塑性复合材料在航空领域中的应用

目前，应用到航空领域的热塑性树脂主要是耐高温、高性能的树脂基体：聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)。其中，无定形的PEI由于具有更低的加工温度及加工成本，比半结晶的PPS及高成型温度的PEEK在飞机结构件上的应用更多[6]。表2列出了部分已经商品化的热塑性复合材料材料牌号以及在现有机型结构件上的使用情况。

表2 热塑性复合材料在现有机型上的应用

热塑性复合材料不仅与树脂、增强纤维的性能，还与纤维的增强方式、材料的成型工艺以及成型设备有关。目前，原材料的研究主要集中在研发并认证合适的材料，即为适应不同工艺方案而进行的新树脂体系材料的研发和材料形式的变更。其中热塑性片(板)材非常类似热固性复合材料，不仅可以简化模塑操作，而且可在自动化生产线上大量生产，是目前飞机上最为常见的材料形式。但随着自动铺放等低成本制造技术发展，飞机结构制造商往往需要根据构件的结构特点、制造难度以及成本等，要求材料供应商提供不同形式的材料以满足不同的成型要求[7]。例如，Royal Ten Cate公司的Cetex产品也可以被加工成预浸束纱、混合纱等形式，以适应不同的工艺要求。

国外热塑性复合材料在商用飞机上的应用研究开始于20世纪90年代初，并且一开始就应用在主结构件上。一个典型例子就是C/PEI成功应用在Gulfstream G550飞机的压力舱壁Fokker70、Fokker100飞机的货舱地板。但由于早期材料、成型设备以及工艺的局限性，主要还是集中在一些小而简单的结构件上，如飞机上常用的梁、肋结构。随着新材料、新工艺以及设计理念的发展，热塑性复合材料的应用逐渐从小结构件发展到次承力结构件上，典型案例是A380飞机上的多肋设计理念以及由焊接技术连接的C/PPS薄蒙皮多肋J-nose固定翼前缘结构[8]。

热塑性复合材料在大型客机上逐渐替代金属材料或热固性复合材料已经成为新材料新技术发展的一个方向，各发达国家及航空机构均加大了该方面的研究。尽管近期热塑性复合材料在复杂结构的制造上还存在一些技术难点并缺少经济、快速、可靠地零件制造工艺，但随着先进材料和自动化设备的发展，成型工艺技术的进步，以及焊接等装配技术的成熟，其极有可能在未来飞机上作为主要材料应用在包括机身在内的主承力结构件上。

5 结 语

随着国家战略性新兴产业发展规划的深入和快速发展，热塑性复合材料产业在我国战略性新兴产业发展中将起到越来越大的作用。国内目前在该方面的应用研究基本与国外同步，已基本建立起了原材料及复合材料的工业化体系。国内相关研究机构及企业应充分合作，抓住发展机遇，紧密围绕新兴产业的巨大需求，推进原料生产技术进步，促进热塑性复合材料体系、加工工艺、应用水平的研究，提高对系列化产品开发的支持力度，努力使国内热塑性复合材料产业发展到一个新的高度。

[1] 田振生，刘大伟，李刚，等. 连续纤维增强热塑性树脂预浸料的研究进展[J]. 玻璃钢/ 复合材料，2013(6)： 51-56.

[2] 赵雪峰，宋永珍，蒋兵，等.长纤维增强热塑性复合材料的研究[J].科技资讯,2012 (31):76.

[3] 朱熠，滕腾，王泽庆.模压型热塑性复合材料在汽车上的应用研究[J].汽车工艺与材料，2015(12):40-43.

[4] DeBenedictis MA. Glass fiber/polypropylene prepregs produced by electrostatic fluidized bed powder fusion coating[D]. Georgia Institute of Technology，1991.

[5] 方立. 连续纤维增强热塑性复合材料制备及其性能的研究[D]. 上海：华东理工大学博士学位论文，2012.

[6] 杜善义. 先进复合材料和航空航天[J]. 复合材料学报，2007(1)：1-12.

[7] 黄汉生. 复合材料在飞机主结构中的应用动向[J]. 化工新型材料，2004(10)：51-52.

[8] 张婷. 高性能热塑性复合材料在大型客机结构件上的应用[J]. 航空制造术,2013(15): 32-35.

Research on Thermoplastic Composites and its Application in the Field of Aviation

GUO Yunzhu

(Harbin FRP Institute, Harbin 150036)

This paper introduces the classification and composition of thermoplastic composites, and briefly describes the short fiber reinforced thermoplastics(SFT), long fiber reinforced thermoplastics(LFT), glass mat reinforced thermoplastics(GMT), preimpregnated fabric and unidirectional continuous fiber reinforced thermoplastics (CFRTP) in their respective continuous fiber reinforced thermoplastics resin of the mainstream of presoak material preparation technology. In combination with high performance thermoplastic composites application in the field of foreign aviation, prospects the development direction of it in China.

thermoplastic composites；SFT；LFT； GMT；CFRTP；powder method；molten impregnation technology；commingled fibers method；film stacking technique；solvent method

2016-08-12)

郭云竹(1982-)，女，本科，工程师。研究方向：复合材料应用。E-mail： frpgyz@163.com.