熱塑性復合材料(TPC- Thermoplastic composite)在商用飛機和其他航空航天應用中的使用勢頭越來越大，包括電動垂直起降(eVTOL- electric vertical takeoff and landing)飛機。TPC曾經被認為對于小型組件以外的應用來說過于昂貴?，F在，材料和加工技術的進步正在推動TPC成為航空航天業的焦點。 

TPC正在越來越多的航空航天應用中取代熱固性復合材料(TS- thermoset composite)和金屬材料，因為TPC組件和零件更輕、更耐用、加工效率更高，具體取決于應用。TPC特性還提供了TS或金屬不可能或不容易實現的設計和制造選項。

從環境可持續性的角度來看，TPC零件和結構的重量更輕有助于飛機原始設備制造商(OEM- original equipment manufacturers )降低飛機燃料消耗和排放。體重減輕幅度很大，在某些情況下甚至超過2000磅。此外，TPC可以很容易地回收和再利用，而TS回收，如熱解，是一個復雜且耗能的過程。

TS零件通常必須在熱壓罐中固化。TPC可以在組裝過程中原位固結。新的自動鋪絲(AFP- automated fiber placement)和自動鋪帶(ATL- automated tape laying )設備包括激光頭，當鋪設光纖或膠帶時，激光頭會立即固接TPC。TPC還與壓縮成型、連續壓縮成型、編織和3D打印制造方法兼容。在許多應用中，TPC經過這些過程后，除了一些最終修整外，幾乎不需要進行任何后處理。

TPC為用更少的整體零件和步驟制造飛機組件和結構打開了大門。例如，傳統上通過將兩個或三個零件緊固在一起制成的組件現在可能是一個焊接的TPC組件，現在可以焊接到飛機上。這意味著材料浪費更少，提高了購買率。

TPC仍然比TS和一些金屬貴得多，但由于TPC加工設備的進步，使用它們的經濟模型現在是有意義的。有了這種自動化設備，TPC組件制造比TS生產過程更快、更高效。焊接TPC的能力對其日益普及至關重要。當原始設備制造商可以焊接TPC零件而不是用緊固件、粘合劑和支架連接零件時，它們可以節省重量和制造步驟。此外，可焊性適用于模塊化裝配工藝。

例如，飛機的不同組、部件和子系統可以由非現場供應商制造，然后焊接和接線到飛機機身上。這種方法通常用于汽車行業，以其模塊化制造效率而聞名。相比之下，如今大多數商用飛機的制造周期都很長。

總而言之，原始設備制造商可以通過更大的TPC使用來減輕20%或更多的重量。當考慮到制造的總成本時，成品的成本可以降低30-40%。

特別是，熱壓罐外復合材料加工的前景對原始設備制造商具有吸引力，因為熱壓罐循環需要時間、能源和資本資源。隨著時間的推移，等待零件完成熱壓罐固化，瓶頸可能會形成。此外，TS預浸料需要冷藏，即使冷藏，其保質期也比TPC短得多，TPC可以在室溫下儲存。TS預浸料對制冷的需求增加了原始設備制造商及其供應鏈管理的物流挑戰。

TPC在商用飛機中的新應用包括翼梁、桁條、吊艙和尾翼等。歐盟的“清潔天空-Clean Sky”倡議通過其多功能機身演示器(MFFD -Multifunctional Fuselage Demonstrator)項目取得了長足的進步。“清潔天空-Clean Sky”在一篇關于MFFD的文章中說：“該項目成功的關鍵在于復合熱塑性塑料在多大程度上可以被證明適用于統一系統、機艙和機身的功能。”

TS密集型飛機是由內而外建造的，這限制了原始設備制造商隨著時間的推移如何裝備飛機內部的靈活性。但是，TPC密集型飛機是從外到內建造的，讓原始設備制造商對飛機內部的建造和完成方式有更大的控制和選擇。“清潔天空-Clean Sky”的結論是：“通過更模塊化的設計形式，如果航空公司希望改變機艙元素，將有可能調整和修改機艙內部，”。

除了模塊化設計選項外，TPC還為創建輪廓設計和復雜形狀提供了靈活性。TPC比金屬更容易彎曲，使其成為大半徑圓形或管狀結構的理想選擇。例如，Daher使用TPC作為勞斯萊斯超風扇發動機的大型進氣艙壁。艙壁周長幾米，設計成四段組裝。在一篇關于這個項目的博客文章中，Daher提到了TPC如何幫助解決航空航天業的“雙重困境”——環境和競爭力。

TPC可能是新設計飛機項目的主要材料選擇。對于這些項目，原始設備制造商在選擇材料和加工路徑方面有一個全新的開始。這是一個建立專門用于高效TPC模塊化組裝的新生產線的機會。

TPC在eVTOL飛機上也越來越受歡迎。這些飛機的經濟模型要求它們比大型商用飛機更快、更便宜。如果受到熱壓罐和冷凍機容量的限制，eVTOL的 OEM不太可能成功擴大生產規模。相反，他們需要材料和制造工藝在幾秒鐘內完成飛機零件，而不是幾個小時。

TPC特別適合用于eVTOL飛機螺旋槳葉片。TPC材料賦予葉片韌性和抗損傷性，使其能夠承受巨大的應力。eVTOL飛機有許多螺旋槳葉片，因此葉片耐用性對于原始設備制造商向客戶提供的整體價值主張非常重要。葉片越堅硬，壽命越長。

一些原始設備制造商正在考慮將TPC用于航天器運載火箭，但需要進行更多的測試，以檢查TPC在極端溫度波動下的穩定性，以及它們承受流星碎片潛在撞擊的耐用性。

航空航天業的變化不會在一夜之間發生。安全標準要求對材料和工藝進行嚴格的測試和驗證。許多TS材料在航空航天應用中有著悠久的歷史，已經通過了眾多原始設備制造商的認證，并獲得了國家先進材料性能中心(NCAMP-National Center for Advanced Material Performance )的認證。在認證方面，TPC仍然是新手。截至撰寫本文時，只有一家TPC獲得了NCAMP的認證。其他產品已由個別原始設備制造商針對特定應用進行了資格認證。

與TS供應相比，TPC供應相對不成熟。隨著越來越多的TPC被開發出來并獲得NCAMP認證，TPC的采用有望起飛。有了NCAMP認證后，TPC材料就可以進行開源驗證。TPC組件供應商將可以自由地與各種原始設備制造商合作，除了最大的參與者。

確保材料規格規范符合TPC的特殊細微差別和性能特征也很重要。例如，經驗豐富的TPC材料檢驗員確切地知道狹縫膠帶規格中應包含哪些公差，直到膠帶將在哪臺機器上運行。材料檢驗員還可以與上游的TPC材料供應商合作，確定最適合應用的卷材長度和寬度。無論材料是需要切割用于壓縮成型工藝，還是需要切成超薄帶用于增材制造工藝，格式化都可以根據所需的最終用途定制TPC。

隨著新的TPC材料、加工設備和焊接技術的進步，飛機原始設備制造商在設計和制造創新方面擁有豐富的新機會。下一代飛機有望更輕、更環保、更高效地制造，這在很大程度上要歸功于TPC的發展。

本文由銷售和新業務開發總監阿什利·格雷伯（Ashley Graeber）和Web Industries股份有限公司（馬薩諸塞州馬爾伯勒）航空航天部門全球熱塑性塑料市場開發經理Jim Powers撰寫。

熱塑復材+焊接是民機設計、制造的一次革命。目前商飛正在設計C929，這正好是參與的好時機。

楊超凡