熱塑性復合材料應用開發與發展趨勢|JEC 2024觀展側記
JEC復合材料展創辦于1963年，作為全球最大的復合材料展，距今已有60余年。今年德國有226家企業參展，法國和中國并列第二，各有186家企業參展，第四第五分別是美國116家和意大利103家。本次展會關注最多的復合材料行業為汽車制造、航空制造和建筑材料，展品多為汽車、航空、航天、船舶游艇、建筑材料、軌道交通、風力發電、休閑產品、管道和電力等領域的復合材料制品、原材料、成型工藝與設備、力學性能與無損檢測設備、切割與加工裝備等。
本次展覽會上呈現的以熱塑性樹脂為基體的纖維增強熱塑性復合材料發展迅猛，其應用領域涵蓋了航空航天、汽車制造、建筑和電子產品等領域。本文以此為背景，重點敘述熱塑性復合材料在民用航空工業、汽車工業領域的技術創新與應用開發，結合全球熱塑性復合材料市場分析，對其未來市場的發展趨勢進行了預測與展望。
01
前言
熱塑性復合材料是以熱塑性聚合物作為基體相，并與高性能增強材料相結合制備而得的復合材料，目前已經在航空航天、汽車工業、海上運輸等相關行業中起著舉足輕重的作用。熱塑性復合材料兼具高韌性、化學穩定性和易于加工等獨特優勢，它們在加熱時具有軟化和反復固結的能力，可滿足各類復雜零部件的高效生產需求，并允許其重塑和回收。
由于全球快速城市化和低碳排放目標的提出，對輕量化產品的需求不斷增長，正在推動熱塑性復合材料市場增長。在JEC World 2024國際復合材料展上，33項入圍JEC復合材料創新獎決賽的成果中有超過20項新材料、新技術不約而同地強調了綠色低排放、循還可回收的未來復合材料發展模式。熱塑性復合材料深度融入于這些項目中，圍繞其開發的相關零部件產品囊括了飛行器蒙皮及艙板、汽車車門及車身結構，并由此衍生了原位固結、反應性拉擠成型技術等各類新興成型技術。市場需求是推動熱塑性復合材料不斷發展的根本動力，熱塑性復合材料的市場逐漸由航空航天向汽車等民用行業領域過渡。
02
熱塑性復合材料在航空工業的應用開發
JEC復合材料展上呈現了熱塑性復合材料在民航工業領域的前沿應用，法國Sogeclair Equipment公司推出了一款碳纖維增強聚苯硫醚熱塑性復合材料飛行器艙門，如圖1所示，其具有復雜的沖壓形狀，并在其制造過程中采用了先進的熱塑性復合材料感應焊接技術，在顯著減輕結構重量的同時縮短了其裝配時間。
圖1 碳纖維/聚苯硫醚熱塑性復合材料航空艙門
美國Spirit AeroSystems公司利用自動鋪放技術、沖壓成型技術與感應焊接技術開發了ASPERA熱塑性復合材料商用飛機機艙（見圖2）。通過無緊固件的組裝形式最大限度減少重量、成本和返工次數，同時結合熱塑性復合材料快速制造工藝，助力實現單通道商用飛機高速生產。所有制造過程中使用的熱塑性復合材料零部件可以在過程中返工與更換，并在其服役壽命結束時回收利用。
圖2 ASPERA焊接熱塑性復合材料演示
位于西班牙的Airbus DS - Defence & Space部門針對運輸機外翼蒙皮罩，提出了熱塑性復合材料機翼上蓋原位固結方案，如圖3所示。該方案通過一步原位固結碳纖維增強PEEK熱塑性復合材料，實現低能耗加工和可循環的報廢回收。該項外翼蒙皮制造技術水平經驗證已達到TRL5成熟度，具備在相關環境下生產零部件原型的能力。
圖3 Airbus一次性原位固結機翼上蓋
Daher及其荷蘭子公司KVE在展會上也展示了他們為下一代飛機開發的最新成果，一款長度超過2米的大型扭力箱（見圖4）。熱塑性復合材料的應用及其連接技術的發展除了減輕結構重量，消除緊固元件，還大幅度節省了其生產和裝配時間，這預示著未來商用飛機的機翼部件正在向更輕、更高效、更環保方向發展。
圖4 全尺寸扭力箱（右側紅線為焊接區域）
熱塑性復合材料在飛機機身中最具代表性的應用集成即是Clean Sky2項目孵化的多功能演示機身（MFFD），如圖5所示。項目評估了焊接熱塑性復合材料在完全集成的機身結構中的應用可行性。圍繞熱塑性復合材料開發的自動鋪帶原位固結技術、激光原位連接與連續超聲波焊接技術為實現月產60-100架飛機，機身重量減輕10%提供了實踐驗證。
圖5 Clean Sky項目多功能演示機身（MFFD）
自JEC 2019展會上Fokker公司首次展出的灣流公務機熱塑性機身面板，到近期的JEC 2024上以Daher、Hexcel、Airbus、Spirit AeroSystems、Sogeclair Equipment等公司為代表的熱塑性復合材料機身一級構件的爭相登場，這預示著熱塑性復合材料二級構件在民航客機中的應用已經成熟，未來航空結構中熱塑性復合材料的應用特征是逐步由二級結構向大尺寸、復雜一級結構過渡，其核心就是開發大型構件的原位制造與連接技術，以實現結構減重并縮短制造周期。
03
熱塑性復合材料在汽車工業等民用行業的應用開發
熱塑性復合材料在民用行業的應用開發主要集中在在汽車工業方面，美國特拉華大學復合材料中心聯合Envalior恩驊力公司、克萊姆森大學和美國本田開發與制造公司設計了世界上第一款超輕碳纖維增強熱塑性復合材料車門（見圖6），并由此入圍JEC 2024復合材料創新獎決賽。這一熱塑性復合材料結構相較于鋼材減重45%，零件整合率提升52%，燃油效率提升31.5%，且具備100%可再加工能力。Envalior提供的Tepex®碳纖維/聚酰胺層壓板產品使得部件的制造過程近似金屬沖壓過程，具有連續纖維增強的熱塑性Tepex預制板一方面顯著提升了制件的力學性能。同時，連續纖維織物本身具備一定的變形能力，使其在無需預鋪貼的情況下即可實現復雜形狀車身零部件的模壓成型，滿足其高效生產節拍需求。
圖6 世界上第一款超輕碳纖維增強熱塑性復合材料車門
盡管如此，碳纖維復合材料的應用仍然在探索材料輕量化與經濟性兩者之間的平衡，為此Envalior、Weav3D等公司面向日益崛起的新能源汽車市場相繼開發了具有更高性價比的汽車車身結構用GF/PA6片材產品。以Tepex dynalite產品為例，其有效助力了理想汽車L9、L8、L7車型電池底護板減重30%，如圖7所示。產品根據傳統模壓與注塑成型工藝，開發了由連續纖維與長纖維混雜增強的車身嵌件一體化包覆成型技術，為推廣熱塑性復合材料在汽車領域的應用開辟了全新的技術路線。
圖7 連續玻璃纖維與長玻璃纖維增強的理想汽車
車身底板部件熱塑性復合材料夾層結構的開發應用也為商用車市場帶來了許多性能優勢。德國的戴姆勒卡車股份公司聯合弗勞恩霍夫材料與系統微觀結構研究所生產了用于卡車內飾的儲物箱翻蓋，如圖8所示。該翻蓋由熱塑性蜂窩芯和纖維增強熱塑性層壓板的面板層組成，相比于金屬部件可減輕高達70%的重量，且部件具有A級表面。此外，項目開發過程中還測試了將結構與金屬覆蓋層層壓在一起，也取得了進展。該項熱塑性復合材料夾層成型技術被認為適用于各種對成本和重量敏感領域的應用。
圖8 熱塑性復合材料夾層結構儲物箱翻蓋
德國Röchling Automotive SE公司提出的反應性熱塑性拉擠成型技術是JEC 2024復合材料創新獎—汽車和道路運輸制造技術類別的最終獲獎者。這項技術利用更廉價的原材料，通過反應性PA6樹脂浸漬連續玻璃纖維實現GF/PA6型材的拉擠，降低型材的生產周期和成本，產品具有更好的經濟效益和力學性能。同時，由于這項技術在拉擠過程中對聚酰胺樹脂粘度進行了調整降低，使其可以輕松制造纖維體積分數超過70%的熱塑性復合材料構件（見圖9）。結合熱塑性材料可反復加工的特性，原位拉擠后的型材直接被作為半成品集成到模腔中完成最終制件的成型，并且因為與注塑件采用了相同體系的PA6樹脂，使得長期服役后的集成化零部件無需拆解即可整體回收。
圖9 反應性熱塑性拉擠成型技術
德國ElringKlinger公司采用預浸料熱鋪貼技術，并基于負載路徑的設計允許將鎂、鋁或鋼制成的其他金屬部件插入到復合材料汽車結構中承受高應力的區域。將金屬型材的內高壓成型和熱塑性復合材料注射成型集成在單臺設備上，解決了駕駛前端托架和前端適配器的集成制造，如圖10所示。此外，恩驊力公司、豐田汽車公司等單位均在JEC 2024上展出了其金屬/復合材料嵌件產品。金屬/復合材料超混雜材料也為熱塑性復合材料在汽車結構件中的應用提供了全新思路。
圖10 集成金屬嵌件的熱塑性復合材料汽車前端托架
油氣運輸是熱塑性復合材料在民用市場開發應用的重要組成部分。石油和天然氣行業必須以可承受的價格開發海底線纜運輸系統，以滿足全球日益增長的燃料運輸需求。Syensqo公司推出了PVDF、PPS、PEEK等熱塑性復合材料柔性管材替代金屬管的方案，如圖11所示，可滿足海上運輸系統在極端溫度和高壓環境下的穩定服役需求，具有極低的腐蝕性和滲透性。與鋼相比，熱塑性復合材料管具備輕量化優勢，且更易于安裝，穩定服役壽命超過20年。
圖11 熱塑性復合材料柔性管材用于海底油氣運輸
熱塑性復合材料在民用市場的開發應用還體現在體育行業。東麗碳纖維歐洲公司在JEC 2024上推出了面向體育行業的Cetex TC915 PA+預浸料，用于生產球拍等體育用品（見圖12）；澳大利亞陽光海岸造船公司推出了70英尺全碳纖維雙體船；Swancor和Massload共同開發了世界上第一個完全由100%回收材料制成的自行車瓶架，這款創新產品將Swancor50%的再生碳纖維與50%的再生PA6托盤混合在一起，通過注塑工藝制造，回收材料的引入使得制造過程的碳排放大幅減少97%。未來，熱塑性復合材料在體育等民用市場將持續圍繞輕量化、可回收、低碳排放的目標持續開展應用技術研發。
圖12 東麗碳纖維歐洲公司為HEAD開發的碳纖維原型球拍
航空工業領域的自動鋪放-原位成型為復雜零部件的一體化快速制造給出了解決方案，但是面向汽車工業、油氣運輸以及體育等需要低成本、高效率生產的市場，這些基于連續纖維單向預浸帶的方案仍然道阻且長。長期以來，針對連續纖維增強復合材料，兼具時效性與制件穩定性的成型工藝也一直是困擾其在汽車零部件中大批量應用的核心技術難題。本次JEC展會中恩驊力、恒瑞、摩通等企業展出的熱塑性復合材料制件表明以連續纖維織物作為增強體是解決上述技術難題的重要途徑，未來在汽車工業等民用市場中將會見到更多連續纖維織物增強熱塑性復合材料大型構件的問世。除了復合材料增強體材料形式的變化，面向熱塑性復合材料及其混雜復合材料，提出高效、低成本的成型技術是推廣其應用的關鍵，而實現這一目標的技術途徑需要結合傳統成型工藝，開發復合成型技術，以適應高度集成化的復雜零部件生產需求。
04
熱塑性復合材料市場發展趨勢
4.1 全球熱塑性復合材料市場分析
根據美國Market Research Future、Straits Research等機構的市場分析報告（見圖13），2021年基于消費量的全球熱塑性復合材料市場規模已達6841.5千噸（160.2億美元），預計熱塑性復合材料行業將從2022年的7318.9千噸增長到2031年的14123.6千噸，復合年增長率（CAGR）超過6.2%。
區域分析結果顯示，亞太地區熱塑性復合材料市場占全球份額的41.93%，中國作為全球最大的電子產品生產國占據了主要份額，應用市場主要為智能電器及電子產品。由于對可持續產品的需求不斷增長，加之汽車和飛機部件對熱塑性復合材料依賴性的提升，歐洲熱塑性復合材料市場占據26.32%的市場份額，德國在其中占有最大份額，法國熱塑性復合材料市場是歐洲地區增長最快的市場。北美地區的汽車和航空航天投資不斷增加，其熱塑性復合材料市場占據全球第三大市場份額。此外，玻璃纖維熱塑性復合材料將以6.22%的復合年增長率增長，在各類纖維增強體中保持領先優勢；在熱塑性樹脂方面，聚醚醚酮（PEEK）的復合年增長率最高，將達到6.12%，預示著高端熱塑性復合材料正逐步發力并快速崛起。
目前，全球熱塑性復合材料市場參與者正在研發上投入大量資金以增加其產品線，形成以巴斯夫、塞拉尼斯、恩驊力（朗盛與帝斯曼合并）、沙特基礎工業公司、杜邦、東麗、帝人、三菱、阿科瑪、西格里等公司為主導的競爭格局。
圖13 熱塑性復合材料市場發展預測
4.2 熱塑性復合材料在航空市場的發展趨勢
2012年，熱塑性復合材料被首次利用于制造灣流G650飛機升降舵及垂直尾舵等關鍵控制面，目前已超過600架灣流G650飛機在美國威斯康星州的阿普爾頓內裝工廠完成交付。熱塑性復合材料在航空工業中的應用正在成為其增長的關鍵動力。根據spirit航空系統公司的預測，除了傳統飛機，無人駕駛飛機和城市空中交通將成為其應用增長的兩個關鍵領域。無人駕駛飛機與城市空中交通在制造和生產飛機的方式上需要考量成本效益，兩個領域都需要輕量化、高性能且低成本的飛機，并且這些飛機部件需易于生產且非常耐用。
截至2020年，空客與波音的積壓訂單已經分別達到7198架與5745架，而伴隨全球航空業在疫情期間受到的重創，空客公司的積壓訂單已經突破8000架。飛機行業預測，到2040年，全球航空公司將需要超過35000架新飛機，平均每年超過2000架，結合現有商用飛機每年約1000架的交付能力，滿足這種市場水平迫切需要新方法和新技術。先進熱塑性復合材料具有重量輕、保質期長、吸濕性低、熱穩定性和耐化學性好、韌性和損傷容限高、耐溶劑性、介電常數低等優點。憑借這些優勢特性，先進熱塑性復合材料有望加快飛機零件開發速度并顯著縮短飛機制造周期。
盡管熱塑性復合材料在加熱到熱塑性基體的熔點以上，無需分子結構級別的聚合物交聯，只需要冷卻固結即可完成制件生產，但是想要獲得滿足航空市場所需的熱塑性復合材料制件質量與生產效率，還需要突破相關技術。
首先，航空級的熱塑性預浸帶孔隙率已經非常低，普遍＜0.5%，但針對飛機關鍵控制面，為了降低自動鋪帶后制件的孔隙率，通常的做法是將部件放入熱壓罐中以確保完全固結與安全性。熱壓罐工藝的使用降低了熱塑性復合材料的生產效率與價格優勢。其次，熱塑性復合材料的焊接技術很早便通過了美國聯邦航空局（FAA）認證，并在空客A300系列的前緣結構中得到普遍應用。一旦大尺寸飛機部件的原位固結技術成熟，必須找到與之匹配的部件裝配技術，由此將帶來一系列熱塑性復合材料與金屬、熱固性復合材料部件的連接問題。因此，正如JEC 2024所呈現的，突破自動鋪帶過程的原位固結技術，獲得滿足航空市場所需的熱塑性復合材料制件質量，發揮熱塑性復合材料可焊接的優勢特性開發連續化、自動化連接技術，將成為推動熱塑性復合材料在航空領域中應用的關鍵。
4.3熱塑性復合材料在汽車等民用市場的發展趨勢
熱塑性復合材料輕量化部件在汽車領域的應用可以降低二氧化碳的排放量并提升整車的燃油經濟性，顯著改善車輛的長期駕駛穩定性。根據歐洲鋁協數據，當汽車質量降低10%時，能源使用效率將提高6%~8%，百公里排放污染物降低10%；而對于新能源汽車，100kg的質量減小相應可以增加其續航能力約6%~11%。汽車行業對輕量化產品的日益關注是推動熱塑性復合材料全球市場增長的主要因素。我國新能源汽車產業在《新能源汽車產業發展規劃》和《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的指導下，積極應對整車輕量化挑戰。目標到2035年燃油乘用車整車輕量化系數降低25%，純電動乘用車整車輕量化系數降低35%。
根據國家知識產權局公開信息，在2020年之前，熱塑性復合材料專利布局技術層面主要聚焦熱塑性復合材料結構與成型方法，應用方面多為汽車內飾、隔音材料，發動機和傳動軸等耐熱結構件；在2020年之后，除了上述技術和應用外，新能源汽車相關的專利布局被廣泛關注，熱塑性復合材料裝備以及增材制造工藝也較為突出。目前，熱塑性復合材料在汽車領域的應用已經完成了由內外飾件向結構件的過渡，并作為汽車重要的組成部分，對其安全性、性能等方面產生重要的影響，典型的應用案例如車門、引擎蓋下部件、車頂部件、車門模塊、前端模塊、電池盒、底護板等，廣泛提升了熱塑性復合材料的市場需求。
面向日益增長的汽車工業復合材料市場，想要拓寬熱塑性復合材料在汽車制造中的應用仍存在技術難點。首先，面向汽車關鍵結構件的承載需求，采用連續纖維增強復合材料替代輕質GMT以及各類短纖維、長纖維增強熱塑性復合材料勢在必行，但是其制造過程的廢品率高，回收后的纖維無法繼續作為連續纖維使用。其次，熱塑性聚合物基體的相容性相比于熱固性聚合物較差，使用其制造的內外飾件、結構件與金屬車身的連接問題是制約其應用的又一關鍵問題，顯著影響汽車的質量和安全性。最后，為了獲得汽車行業認可的A級表面，熱塑性復合材料內外飾件還需解決車漆的附著問題，對制造過程的清潔無塵提出了更高要求。結合JEC 2024所呈現的前沿技術，通過原材料與成型裝備的合理設計，面向具體部件研發連續纖維增強熱塑性復合材料半成品模壓片材以及與之配套的經濟效益更高的成型技術，將有助于實現降本增效，提升生產效率與材料利用率；而克服熱塑性復合材料連接與車漆涂裝難題的核心是提出新的界面處理技術，隨著等離子處理、激光處理等表界面技術的研發愈加深入，熱塑性復合材料在汽車市場的應用也將愈加成熟與廣泛。
來源：東華經緯新材料研究院
