引言

超越金屬和熱固性材料的進化

航空航天工業長期以來一直在追求以最小的重量提供高強度和剛度的材料，以提高飛機性能和燃油效率。這種追求導致了傳統金屬合金逐漸被聚合物基復合材料所取代，主要是那些使用熱固性樹脂的復合材料。具有里程碑意義的飛機項目，如波音787夢想飛機和空客A350 XWB，就是這一演變的例證，實現了機身由重量超過50%的復合材料組成。與金屬前身相比，這些熱固性復合材料，通常是碳纖維增強聚合物(CFRP)，顯著減輕了重量。然而，它們的制造過程通常涉及復雜的化學固化周期，通常需要大型、高能耗的熱壓罐和漫長的加工時間，這對實現現代商用飛機項目所需的高生產率構成了挑戰。

熱塑性塑料(TPC-Thermoplastic)的出現

為了應對熱固性塑料的局限性和對提高效率和性能的不斷需求，熱塑性復合材料(TPC)已成為航空結構的下一代引人注目的材料解決方案。熱塑性塑料提供了一種獨特的性能組合，可以解決關鍵的行業驅動因素：顯著加快制造周期的潛力、增強的材料韌性和損傷容限、與可持續發展目標相一致的固有可回收性，以及至關重要的是使用焊接技術連接的能力。最初僅限于較小的非關鍵部件，現在正積極開發和實施熱塑性材料，用于更大、更復雜和結構要求更高的應用，這標志著航空結構設計和制造的潛在范式轉變。

TPCs的推動不僅僅反映了材料替代；它體現了制造哲學的根本轉變。航空航天業面臨著越來越大的壓力，需要提高生產率，特別是大批量單通道飛機的生產率，并為城市空中交通（UAM-Urban Air Mobility）和電動垂直起降（eVTOL-Electric Vertical Takeoff and Landing）飛機等新興市場實現快速、經濟高效的結構制造。TPC具有快速、熱壓罐外加工、高度自動化和焊接集成裝配的潛力，被視為這些未來制造模式的關鍵推動因素。例如，多功能機身演示器（MFFD-Multi-Functional Fuselage Demonstrator ）項目明確針對通過TPC技術實現的高速生產能力（每月60-100架飛機）。

焊接優勢

也許熱塑性塑料在航空結構中最具變革性的特征是它們的可焊性。熱固性塑料不同，熱固性塑料在固化過程中會發生不可逆的化學變化，熱塑性材料可以通過加熱反復軟化和再固結。這允許通過熔融粘合或焊接來連接組件，通過在壓力下在界面處熔化和熔融聚合物基質來創建整體結構。這種能力為機械緊固（鉚接或螺栓連接）和粘合劑粘合等傳統連接方法提供了一種有吸引力的替代方案。焊接可以消除數千個緊固件，減少零件數量，減輕重量，簡化組裝，并可能降低制造成本。

此外，焊接TPC的能力是一個強大的設計推動者。通過消除緊固件施加的約束（例如邊緣距離要求、孔周圍的應力集中）和粘合劑粘合的復雜性（表面處理、固化周期），設計人員可以概念化更集成、結構更高效的組件。這可能涉及將之前由緊固件連接的多個零件合并成一個焊接的TPC組件，從而實現更輕的結構和可能更光滑的空氣動力學表面，沒有鉚釘頭。

行業領導者

一些航空航天制造商和供應商處于TPC開發和實施的最前沿。本報告重點關注的Daher和川崎重工（KHI）等公司正在積極投資TPC材料、加工技術和焊接能力。其他知名企業包括柯林斯航空航天公司（收購了荷蘭熱塑性復合材料公司）、Spirit AeroSystems、GKN Aerospace（Fokker）以及空客和波音等主要原始設備制造商，他們正在推動需求并在關鍵開發項目上進行合作。這一進展得到了更廣泛的材料供應商、設備制造商、研究機構（如DLR、NLR、代爾夫特理工大學）以及歐洲清潔天空/清潔航空計劃和美國航空航天材料制造中心（AAMC）等合作倡議的支持。

報告路線圖

本報告全面分析了熱塑性復合材料和相關焊接技術在塑造下一代飛機結構中的作用。它首先定義了熱塑性塑料，并將其性能與傳統熱固性塑料進行了對比。然后，它深入研究了主要的焊接技術——超聲波、感應和電阻焊接——詳細介紹了它們的機制、優點、局限性以及在航空航天中的應用。隨后，它考察了Daher和川崎重工（KHI）TPCs和焊接的具體策略、發展和實施。最后，該報告分析了影響這些先進材料和工藝在航空航天領域采用的更廣泛的市場動態、關鍵驅動因素、挑戰和未來趨勢。

材料優勢

定義熱塑性塑料與熱固性塑料

熱塑性聚合物和熱固性聚合物之間的根本區別在于它們的分子結構和對熱的反應。熱塑性塑料由長的、線性的或分支的聚合物鏈組成，這些聚合物鏈由次級分子間力（如范德華鍵）連接在一起。當加熱到高于其玻璃化轉變溫度(Tg))或熔化溫度(Tm)，這些鏈可以相對移動，導致材料軟化并最終融化成粘性液體。冷卻后，鏈固結，使材料恢復固態。這個過程是一種物理轉變，是完全可逆的，這意味著熱塑性塑料可以反復加熱、重塑和冷卻，而不會改變其基本化學結構。

相比之下，熱固性材料從液體樹脂或含有反應性單體或低聚物的低粘度材料開始。在固化過程中，通常由熱量、催化劑或輻射引發，這些分子發生不可逆的化學反應，在聚合物鏈之間形成強而永久的共價交聯。這形成了一個剛性的三維網絡結構。熱固性材料一旦固化，就不能通過再加熱來重新熔化或重塑形狀；過熱會導致降解而不是軟化。想想像黃油這樣的熱塑性塑料，它可以熔化和再固化，而熱固性塑料就像蛋糕面糊，一旦烘烤，就不能恢復到液態。

TPC的主要航空航天優勢

熱塑性塑料的獨特特性轉化為航空航天應用的幾個引人注目的優勢，推動了它們在傳統金屬和現有熱固性復合材料中的日益普及：

♦ 減輕重量：熱塑性塑料復合材料具有顯著的減重潛力，這是航空航天領域提高燃油效率和減少排放的首要關注點。與金屬解決方案相比，TPCs可以將結構重量減輕50%，與熱固性復合材料解決方案相比可以減輕20%。這種減輕直接影響運營成本和環境足跡。

♦ 制造速度和效率：TPC加工依賴于熔化和固結的物理原理，而不是耗時的化學固化反應。這使得制造周期時間大大縮短，從熱固性塑料的數小時縮短到TPC的數分鐘，可能縮短80%或更多。此外，TPC通常使用沖壓成型、壓縮成型或自動放置原位固結等技術在熱壓罐外（OoA- out-of-autoclave ）加工，消除了許多高性能熱固性塑料所需的大型熱壓罐的瓶頸和高資本/能源成本。這大大提高了生產率，對未來的飛機項目至關重要。

♦ 可焊性：重新熔化熱塑性塑料的能力使組件能夠通過熔焊或焊接連接。這消除了對機械緊固件（鉚釘、螺栓）或粘合劑的需求，減少了零件數量、裝配時間和結構重量，同時可能創造出更堅固、更完整的接頭。

♦ 抗沖擊性和韌性：熱塑性樹脂通常天生更堅韌，比脆性熱固性基體表現出更高的斷裂應變。這意味著熱塑性塑料具有優異的抗沖擊性和損傷容限，這是承受潛在沖擊或疲勞載荷的耐用航空航天部件的關鍵性能。

♦ 可回收性和可持續性：由于成型過程是可逆的，TPC制造廢料可以重新熔化和重整，報廢部件可以回收，有助于實現更循環的經濟，并與日益增長的環境可持續性目標保持一致。與某些熱固性工藝相比，TPC加工也會產生最少的揮發性有機化合物（VOC-volatile organic compounds ）或危險廢物。

♦ 儲存和保質期：TPC預浸料（預浸漬纖維）不需要化學反應來固化，在環境溫度下是穩定的。這賦予了它們幾乎無限的保質期，而不需要與許多熱固性預浸料相關的昂貴的冷藏和復雜的物流管理。

♦ 耐化學性和環境性：高性能熱塑性塑料對航空航天流體、化學品和吸濕性具有良好的抵抗力。與熱固性塑料相比，它們的吸濕性較低（例如，環氧樹脂為~0.1%對1-2%），導致在熱/濕條件下機械性能的退化較小。它們還具有良好的抗紫外線輻射和一般環境因素的能力，盡管一些消息來源對某些類型的潛在紫外線降解提出了警告。

潛在的劣勢和挑戰

盡管TPCs具有眾多優勢，但它們也帶來了需要解決的挑戰，以便更廣泛地采用：

♦ 更高的材料成本：航空航天級熱塑性樹脂，如PEEK、PEKK和PEI，通常比傳統的環氧基熱固性樹脂貴得多。這種更高的初始材料成本可能是一個障礙，特別是對于成本敏感的應用。然而，有必要從整體上看待成本效益。雖然原材料價格較高，但當考慮到大幅縮短循環時間、消除能源密集型熱壓罐固結、高自動化水平的潛力、通過焊接簡化裝配（降低緊固件成本和勞動力）以及由于可回收性和無限保質期而使浪費最小化等因素時，熱塑性塑料的總制造成本可能會變得有競爭力，甚至更低。因此，隨著產量的增加和高效自動化制造工藝的實施，熱塑性塑料的經濟可行性顯著提高。

♦ 更高的加工溫度：與常見的航空航天熱固性材料的固化溫度（120-180°C）相比，熱塑性塑料需要更高的處理溫度（通常為300-400°C）。這需要對高溫工具（可能更昂貴和復雜）、專用加熱系統（如激光器、AFP/ATL的高功率紅外發射器）和加工過程中復雜的熱管理進行投資。因此，采用熱塑性復合材料與開發和獲取兼容的高溫制造基礎設施和專業知識有著內在的聯系。

♦ 高熔體粘度：在熔融狀態下，熱塑性塑料的粘度明顯高于未固化的熱固性樹脂。這種高粘度使得傳統的低壓熱固性加工方法，如樹脂傳遞模塑(RTM- resin transfer molding)或真空輔助RTM(VARTM- vacuum-assisted RTM)，對TPCs來說變得困難或不切實際。因此，TPC制造在很大程度上依賴于可以在壓力下處理高粘度材料的工藝，如沖壓成型、壓縮成型、自動鋪絲(AFP- automated fiber placement)和自動鋪帶(ATL-automated tape laying)。

♦ 蠕變敏感性：由于熱塑性塑料鏈不是永久交聯的，與高度交聯的熱固性塑料相比，它們可能表現出更大的蠕變敏感性（在持續載荷下隨時間變形），特別是在高溫下。然而，航空航天中使用的高性能半結晶熱塑性復合材料的設計目的是在其工作溫度范圍內盡量減少蠕變。

♦ 較低的耐熱性（歷史/商品等級）:雖然商品熱塑性塑料可能在相對較低的溫度下軟化，但用于要求苛刻的航空航天應用的高性能工程熱塑性材料(PEEK、PEKK、PEI、PPS)具有優異的熱穩定性和高連續使用溫度，通常超過標準環氧樹脂。例如，PPS復合材料已被用于在100°C以上運行的A340/A380機翼前緣。

♦ 標準化:TPC制造工藝、測試協議和材料規格缺乏既定的行業標準被認為是一個制約因素，與更成熟的熱固性領域相比，這可能會減緩資格認證和采用。

通用航空航天TPC材料

特定TPC材料的選擇取決于應用要求、平衡性能、加工性能和成本。

 

♦ 樹脂

航空航天中使用的最常見的高性能熱塑性樹脂包括：

（1）聚醚醚酮（PEEK）：以優異的機械性能、耐高溫性、耐化學性和耐磨性而聞名。通常與碳纖維一起用于要求苛刻的結構應用，如夾子、角片、支架和可能更大的零件。 PEEK基復合材料目前在A&D TPC中占有最大的市場份額。

（2）聚醚酮酮（PEKK）：類似于PEEK，但提供了更寬的加工窗口和可能不同的結晶動力學。也用于高性能結構應用。

（3）聚苯硫醚（PPS）：與PEEK/PEKK相比，在機械性能、熱穩定性、耐化學性和相對成本效益方面實現了良好的平衡。廣泛用于夾子、角片和其他結構件等零件。

（4）聚醚酰亞胺（PEI）：一種無定形熱塑性塑料，以良好的機械性能、固有的阻燃性和比PEEK/PEKK更低的成本而聞名。通常用于室內應用或要求較低的結構。

（5） 聚芳醚酮（PAEK）/低熔點PAEK（LM PAEK）：一系列高性能聚合物，包括PEEK和PEKK。LM PAEK變體專為較低的加工溫度而設計，在保持良好性能的同時，可能會降低能耗和工具要求。

♦ 增強材料

（1）碳纖維：由于其卓越的強度重量比和剛度重量比，是高性能航空航天熱塑性塑料的主要增強材料。

（2）玻璃纖維：用于成本是主要驅動因素或不需要碳纖維極端性能的應用。具有良好的強度、抗沖擊性和電絕緣性能。通常用于內部組件或二次結構。

（3）芳綸纖維：使用較少，但在保護結構等特定應用中具有優異的抗沖擊性。

♦形式

TPC有各種形式，以適應不同的制造工藝：

• 單向膠帶(UD-Unidirectional)：由于纖維對齊，可提供最高性能，適用于自動鋪帶(ATL)和自動鋪絲(AFP)。機織物：為復雜形狀提供良好的懸垂性，并在多個方向上保持平衡性能。
• 短纖維熱塑性塑料(SFT-Short Fiber Thermoplastics)：用于復雜、較小零件的注塑成型。
• 長纖維熱塑性塑料(LFT-Long Fiber Thermoplastics)/玻璃氈熱塑性材料(GMT-Glass Mat Thermoplastics)：性能優于SFT，通常用于半結構應用的壓縮成型。

表1. 熱塑性塑料與熱固性復合材料 — 關鍵性能比較

行業實施

領先的航空航天公司正在積極將熱塑性塑料和焊接技術的理論優勢轉化為實際應用。通過研究Daher和川崎重工(KHI)的方法，可以深入了解TPC實施的現狀和未來方向。

Daher：熱塑性塑料集成和焊接的先驅

Daher在戰略上將自己定位為航空航天應用熱塑性復合材料工業化的領跑者。在保持傳統熱固性材料專業知識的同時，該公司將很大一部分研發工作用于成熟TPC技術，認識到它們在結構更輕、生產更快、可回收性和可焊接性方面的潛力，這些都是下一代飛機的關鍵屬性。

Daher在法國南特經營著一家高度自動化的工廠，專門從事TPC組件生產，被認為是歐洲最先進的工廠之一。為了進一步加快發展，Daher于2022年在南特附近成立了沙平(Shap'in )創新中心。該中心專注于成熟先進的復合材料技術，特別是TPC，并將其擴展到工業生產中，與IRT Jules Verne和EMC2集群等區域合作伙伴密切合作。

Daher的TPC產品組合包括越來越多的組件，展示了該材料的多功能性：

♦結構部件：高負載翼肋（例如，用于空中客車“明日之翼”）、翼梁、假翼梁、抗剪腹板、長桁以及機身和機翼的面板。

♦發動機吊艙組件：進氣艙壁、后部輔助結構(RSS-Rear Secondary Structures)、前部輔助結構(FSS-forward Secondary Structures)。

♦控制面/穩定器：一個全尺寸焊接TPC扭力箱演示器，代表其TBM-單發螺旋槳飛機的平尾組件。

♦其他組件：由回收的TPC制成的TBM-單發螺旋槳飛機的角片、夾板、支架、型材，甚至飛行控制踏板。

Daher為各種成熟的飛機項目提供TPC零件，包括達索陣風戰斗機、空中客車商用飛機(A340、A350、A380、A400M)以及灣流和達索的公務機。他們正在積極開發使用PEEK和LM PAEK等高性能樹脂的零件，通常用碳纖維增強。他們還展示了制造厚TPC結構的能力，與威格斯合作開發了32毫米厚的層壓板，并開發了中央翼盒的組件。

Daher戰略的核心是掌握適用于TPC的先進制造工藝。他們利用自動鋪絲(AFP)，這是一種獲得專利的“直接沖壓®-Direct Stamping®”工藝，可加速生產周期、壓縮成型和共固結技術。自動化是實現OEM所需高生產率的關鍵。

Daher TPC方法的一個決定性因素是它非常強調焊接，特別是感應焊接。在2019年戰略性收購荷蘭感應焊接專家KVE Composites Group后，Daher整合并進一步開發了這項專利技術。他們認為焊接是減輕重量（通過消除鉚釘高達15%）、提高生產率和簡化裝配的關鍵因素。在沙平中心的全尺寸TBM-單發螺旋槳飛機的HTP扭轉箱演示器上成功驗證感應焊接是一個重要的里程碑，證明了這種無緊固件裝配方法在復雜飛機結構中的工業可行性。

Daher積極參與合作研發項目，以推進TPC技術。他們在法國CORAC框架下領導TRAMPOLINE 2項目，特別專注于開發使用感應焊接而不是鉚接組裝的TPC水平尾翼。他們還參與了CARAC TP項目，以表征TPC材料在航空航天應用中的特性，并且是空中客車“明日之翼”等清潔天空倡議的合作伙伴。此外，Daher正在實施結構化的TPC回收流程，展示了對材料生命周期可持續性的承諾。

川崎重工（KHI）：大型結構和演變過程

川崎重工（KHI）在制造大型復雜復合材料飛機結構方面擁有廣泛而成熟的專業知識，這主要體現在其作為波音787夢想飛機項目主要合作伙伴的角色上。川崎重工負責設計和制造787的機身中段的前段—以其主要由熱固性復合材料制成的大型一體式機筒結構而聞名—以及主起落架輪艙和機翼固定后緣的零件。

為了支持這一大規模生產，川崎重工對其名古屋工廠進行了大量投資，建立了配備最先進機械的專用工廠（北部、南部和東部）。這包括用于固化熱固性部件的大型熱壓罐、用于自動材料鋪疊的多臺AFP機器、自動緊固件安裝系統、大型修整和鉆孔機以及先進的超聲波NDI設備。他們的經驗擴展到其他波音項目（767、777、777X）以及與巴西航空工業公司的合作伙伴關系。

雖然KHI迄今為止最突出的復合材料應用涉及通過AFP和熱壓罐固化加工的熱固性材料，但該公司正積極參與熱塑性復合材料技術的研發，以利用其潛在的優勢。認識到非熱壓罐（OOA）加工和更高速率的行業趨勢，KHI開發了一種稱為“局部共固結- local co-consolidation”的TPC新型制造方法。這種非熱壓罐（OOA）工藝旨在制造復雜的、加強的TPC蒙皮面板。它利用模具中精確控制的溫度分布，結合可移動下模對固定上模的漸進式進料。值得注意的是，這種方法在蒙皮固結階段將加強筋（如長桁）同時焊接到蒙皮面板上。這種創新方法旨在生產比熱壓罐工藝流動時間更短的大型TPC加筋板，而不需要極大的壓力，并通過一次性連接實現穩定的質量。 KHI與JAMCO、東麗和其他公司合作，展示了這項技術，展示了其在機身蒙皮板方面的潛力。

KHI TPC研究的進一步證據包括關于連接CF/PEEK材料的演示，包括TPC和注塑塑料的研發工作，以及將復合材料專業知識（部分通過航空航天開發）應用于其他領域，如“efWING”CFRP鐵路轉向架。他們還開發了適用于模制熱固性和熱塑性CFRP部件的大型液壓機系統，并參與了使用紅外熱成像監測超聲波焊接（USW）過程的研究。

與Daher相比，KHI的公開披露（基于提供的材料）沒有明確強調當前TPC生產零件的廣泛組合或感應焊接等特定的專利焊接技術。相反，KHI似乎正在利用其在大規模自動化復合材料制造（來自787）方面的豐富經驗，為大型TPC結構開發獨特、高度集成的OoA制造工藝，例如固有地結合了焊接的局部共固結技術。

KHI更廣泛的研發活動，包括氫技術、機器人、自動化和跨其不同業務部門（航空航天、能源、鐵路、機器人）的流程創新等領域，可能為其未來在TPC制造方面的進步提供協同基礎。

戰略方法和合作

比較Daher和KHI揭示了TPC領域不同但趨同的戰略路徑。Daher已將TPC工業化，大力利用焊接（特別是通過收購KVE的感應），這是其面向公眾的戰略的核心支柱，旨在提供各種TPC組件。1KHI在其強大的大型結構熱固性制造基地的基礎上，正在開發創新的、集成的OoA-TPC工藝，如將成型和焊接結合在一起的本地聯合整合，針對大型面板應用。兩家公司都清楚地認識到OoA加工和焊接是未來航空結構的關鍵技術，并在研發和自動化方面投入巨資。

TPC技術的進步不是孤立發生的。案例研究和更廣泛的研究突出了生態系統協作的關鍵作用。Daher與研究機構（IRT Jules Verne）、產業集群（EMC2）、學術界和供應商的合作關系是其沙平中心和項目成功的關鍵。 KHI與多個合作伙伴合作開發了其本地聯合整合流程。像MFFD這樣的大規模演示涉及廣泛的聯盟，包括原始設備制造商（空客）、一級供應商（GKN）、研究組織（DLR、NLR）和大學（代爾夫特理工大學）。像美國的AAMMC這樣的倡議明確地將工業、政府和學術界聚集在一起，以創建共享的試驗臺設施并加速技術成熟。這種合作模式對于應對所需的材料科學、工藝開發、自動化和標準化的復雜挑戰至關重要。使TPC工業化，以廣泛用于航空航天。沒有一個實體擁有所有必要的專業知識或資源；進步依賴于網絡創新。

市場動態和未來軌跡

市場規模和增長預測

全球熱塑性復合材料市場正在經歷強勁增長，這是由于各個行業的采用率越來越高，航空航天和汽車是關鍵行業。不同來源的市場規模估計和增長預測略有不同，但始終指向顯著的上升趨勢。

一份報告估計，2024年全球TPC市場為312億美元，預計到2030年將達到475億美元，復合年增長率（CAGR）為7.3%。另一位消息人士預測，到2030年，市場將達到260億美元，與2023.13年相比，復合年增長率為4%。第三個項目預計到2030年將從2023年的258.9億美元增長到448.7億美元，這意味著復合年增長率為8.17%。

特別關注航空航天與國防（A&D）行業，2023年該市場的價值約為3.3億美元，預計到2030.11年將以14.8%的復合年增長率增長，達到8.7億美元。這表明航空航天領域的TPC勢頭尤為強勁。

從地理位置上講，亞太地區目前是熱塑性塑料復合材料最大的整體市場，主要受其重要的汽車和電子行業的推動。然而，歐洲在A&D熱塑性復合材料市場占據主導地位（2023年估計占56.1%的份額），這得益于空客大量使用熱塑性材料（例如A350XWB）以及Daher和吉凱恩航空航天等主要一級供應商的存在。在波音公司的活動、國防應用、新興的UAM/eVTOL市場以及旨在建立國內熱塑性塑性塑料供應鏈的AAMC技術中心等戰略舉措的推動下，北美預計將實現強勁增長。

主要增長動力

幾個相互關聯的因素正在推動TPC在航空航天中的采用：

♦對輕量化的不懈追求：降低飛機重量仍然是提高燃油效率、降低運營成本和減少溫室氣體排放的主要目標，幫助航空公司和原始設備制造商滿足日益嚴格的環境法規。與金屬甚至熱固性復合材料相比，熱塑性塑料可大幅減輕重量。

♦強調可持續性：熱塑性塑料固有的可回收性與人們對循環經濟原則的日益關注以及減少制造和報廢處置對環境的影響完美契合。與熱壓罐固化熱固性材料相比，低能耗OoA加工的潛力進一步提高了它們的環境認證。隨著行業優先考慮ESG-Environmental, Social, and Governance（環境、社會和治理）目標，這種可持續性方面正在從次要利益演變為材料選擇的潛在決定性因素。

♦ 制造技術的進步：TPC加工的持續創新至關重要。自動鋪絲（AFP）和自動鋪帶（ATL）的發展，結合了集成加熱（激光、紅外）、更快更可靠的焊接技術（USW、IW、RW）、先進的成型工藝（沖壓成型、壓縮成型）以及復雜的自動化和機器人技術，使TPC制造更快、更一致、更具成本效益，能夠生產更大、更復雜的零件。

♦新飛機項目和市場的需求：下一代商用飛機（如A320和B737系列的潛在繼任者）、先進軍用平臺（包括可歸因飛機）以及UAM/eVTOL等全新航空領域的開發周期，為從一開始就在TPC中進行設計創造了機會。這些新市場通常要求TPC承諾的高生產率、成本效益和輕量化性能。

挑戰和限制

盡管有積極的勢頭，但在主要航空結構中廣泛采用熱塑性塑料仍然存在幾個障礙：

♦成本因素：與熱固性塑料相比，航空航天級TPC樹脂的高昂價格仍然是一個重要的考慮因素。此外，專用高溫加工設備（壓力機、AFP頭、焊接系統）和工具所需的大量資本投資可能是進入或擴張的障礙。雖然全生命周期成本分析可能有利于TPC，但初始投資障礙是真實的。

♦工藝標準化和成熟度：與幾十年的熱固性材料經驗相比，TPC制造和連接工藝在整個行業的標準化程度較低。需要進一步開發、驗證和標準化加工參數、質量控制方法、NDI技術和維修程序，以建立信心并確保一致性，特別是對于飛行關鍵應用。

♦擴大生產：雖然熱塑性塑料復合材料具有高速率的潛力，但使用焊接或共固結等技術以所需的速度可靠地制造具有復雜幾何形狀的非常大的集成結構（如全機身筒或機翼蒙皮），這帶來了重大的工程挑戰。管理熱梯度、確保完全固結、控制翹曲和實現大尺寸的嚴格公差是積極研發的領域這造成了潛在的緊張局勢：對高速率的渴望需要掌握大規模制造，這本身就很復雜。MFFD和AAMC測試臺等舉措的成功至關重要，這些舉措直接解決了這一速度與規模的挑戰。

♦設計和分析工具：成熟和經過驗證的模擬工具對于優化TPC零件設計和預測制造過程結果（如熔體流動、固結、焊接或成型過程中的殘余應力）和使用性能（如負載下的漸進損傷分析）至關重要。需要進一步開發和驗證這些預測能力，以加快設計周期，減少對廣泛物理測試的依賴。

新興趨勢與未來展望

TPCs在航空航天領域的未來發展軌跡似乎很光明，由幾個關鍵趨勢決定：

♦普及自動化和數字化：高度自動化制造工作站的趨勢將加速，這些工作站集成了用于搬運、鋪層（AFP/ATL）、成型、修整、焊接和檢測的機器人。這將越來越多地與過程模擬、用于優化生產和預測性能的數字雙胞胎以及用于實時過程控制、缺陷檢測和材料開發的人工智能（AI）/機器學習等數字技術相結合。

♦更大、更集成的結構：重點將繼續從小型支架和角片轉向使用TPC來制造機身段、機翼蒙皮、長桁、肋骨和尾翼結構等主要結構部件。焊接和共融合技術將是實現這種集成、減少零件數量和簡化組裝過程的關鍵。

♦混合材料方法：未來的設計可能會采用混合結構，將不同的材料—可能是熱固性塑料和熱塑性塑料，或不同類型的熱塑性聚合物（例如，高應力區域的PEEK，其他地方的PEI）—戰略性地結合在一個部件或組件中，以優化性能、重量和成本。有效地連接不同的材料將是至關重要的。

♦可持續性作為核心設計原則：環境因素將越來越成為材料和工藝選擇的核心。TPC的可回收性將推動對高效回收基礎設施的投資，并推動回收TPC材料的應用開發。對生物基熱塑性樹脂和可持續制造實踐的研究將獲得進一步的關注。

♦協作平臺的重要性：持續的進展將在很大程度上依賴于通過聯盟(如清潔航空)、行業組織(如SAMPE)、專用試驗臺(如AAMC)、主要貿易展(如JEC World)和知識傳播平臺(如CompositesWorld和Aviation Week)進行的協作研發工作，以分享研究結果、制定標準并降低采用新技術的風險

結論

航空航天工業正在經歷重大的材料演變，熱塑性復合材料將在下一代飛機的設計和制造中發揮越來越重要的作用。TPCs提供的引人注目的優勢—大幅減輕重量、大大加快制造周期、優異的韌性和損傷容限、固有的可回收性以及由于保質期長而簡化的物流—解決了該行業面臨的許多關鍵挑戰，包括對燃油效率的不懈追求、對更高生產率的需求以及對環境可持續性日益增長的迫切要求。

至關重要的是，使用熔焊或焊接連接TPC組件的能力代表了一次革命性的技術飛躍。超聲波、感應和電阻焊接等技術為消除重型和復雜的機械緊固件和粘合劑提供了途徑，從而能夠創建更輕、更集成、可能更具空氣動力學效率的結構。這些焊接過程的成功自動化是釋放熱塑性塑料高速生產潛力的基礎。

Daher和川崎重工等行業領導者體現了對推進TPC技術的承諾。Daher非常注重將一系列組件的TPC生產工業化，特別強調利用專利感應焊接技術作為核心競爭力。 KHI憑借其在為波音787制造大型熱固性復合材料結構方面的豐富經驗，正在開發創新的、集成的熱壓罐外TPC工藝，如局部聯合固結，該工藝將成型和焊接結合起來，以解決大型面板應用問題。雖然他們的具體方法可能有所不同，但兩家公司以及柯林斯航空航天公司和Spirit AeroSystems等其他關鍵參與者顯然都在投資TPC和焊接，將其作為未來飛機的基礎技術。

毫無疑問，重大挑戰依然存在。TPC材料的初始成本較高，需要進一步標準化制造和連接工藝，高速將生產擴展到非常大的結構的復雜性，以及對成熟預測建模工具的要求都必須得到解決。然而，在密集的研發、自動化和數字化的進步以及通過聯盟和共享測試臺進行的重要合作努力的推動下，創新的步伐表明這些障礙是可以克服的。

發展軌跡是明確的：借助先進的焊接技術和高度自動化的制造系統，熱塑性復合材料將重新定義飛機結構生產。這一轉變不僅有望實現更輕、更省油的飛機，而且有望實現更可持續、更具成本效益的制造工藝。這些技術的整合不僅僅是一種漸進式的改進；它是實現下一代飛行的性能、生產率和環境目標的關鍵推動因素。

原文,Next-Generation Aircraft Structures: Thermoplastic Composites and Welding Technologies

楊超凡