热塑性复合材料在航空业的未来应用展望

近日，我们欣喜地迎来了首架C919大飞机首次飞行试验的圆满完成！据悉，在 C919的“皮肤”上，第三代铝锂合金材料、先进复合材料的用量分别达8.8%和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。

C919的诞生标志着国产大飞机即将迈入商业运营时代。让我们期待国产大飞机正式交付的同时，也对先进复合材料在航空航天的应用有了更多期待。

那么今天，让我们来看看国际专家对于热塑性复合材料在航空业的未来应用展望：

据spiritAeroSystems公司网站2022年刊文，当你看飞机时，你首先想到的是什么？先进航空装备是“时间胶囊”，里面承载着一代人最新、最伟大的想法。那么，当对飞行的未来进行展望时，人们希望下一代飞机能够展示这个时代的哪些特质？更轻、更快、且更可持续是必须要不断追求的。使用先进的结构热塑性复合材料让新一代航空装备获得这些特质的一种解决方案。但由于缺乏合适的设备、契机和研发重点，热塑性复合材料目前无法在整个行业中充分发挥潜力。

下一代制造工艺的开发，如自动成型、材料铺放和焊接，必须实现工业化，以使热塑性复合材料在大规模航空航天制造领域广泛投入应用。斯普利特航空系统公司正在朝着这一目标努力，致力于将热塑性复合材料带入电动垂直起降飞行器（eVTOL）和可消耗无人机等新市场，同时为传统热塑性复合材料航空结构的发展奠定基础。

为什么热塑性复合材料在航空航天中很重要？

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。在减轻飞机重量的热固性复合材料方面，研究人员已经拥有丰富的专业知识，随着行业发展，热塑性复合材料也逐渐成为研究重点。两种类型材料都使用碳纤维增强聚合物的高比刚度和强度来设计更轻质、更高强的飞机。

目前，热塑性复合材料正取代各类应用中传统材料，通常应用于较小的零部件。在较大的部件中使用热塑性复合材料，如纵梁、框架、舱壁和机身蒙皮板等，航空装备减重效果将非常显著，整个行业也会极大受益。斯普利特的目标是在可以实现自动化高速制造的领域成熟使用热塑性复合材料，这意味着能够在非常短的周期内反复实现熔塑、成型和固化过程。

热塑性复合材料将如何支撑下一代飞机发展？

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

-城市空中交通等新兴市场。一些新兴市场，如城市空中交通飞行器，将与如今制造和生产飞机的方式大不相同。热塑性复合材料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。

热塑性复合材料性能如何满足项目需求？

充分研发材料使得其性能满足装备需求需要经过多年的发展。掌握复杂制造过程中所需的专业知识使整个行业都将面临巨大挑战。斯普利特公司已经优先考虑了热塑性复合材料制造领域的流程改进。通过研发，斯普利特公司正在寻找创造性的方法使热塑性复合材料成为更常用的材料。

此外，斯普利特公司目前正在继续开发热塑性复合材料相关技术，以应对未来的应用需求。其中一些功能包括：

-自动纤维铺放技术(AFP)。作为世界上最大的自动纤维铺放机用户，斯普利特公司正在将此项功能应用于热塑性复合材料丝束的高速铺层。这种高效的制造技术降低了成本并能够实现大规模制造，生产出更具成本效益的结构。斯普利特公司近期采购的热塑性复合材料自动纤维铺放头是同类产品中的首个，这款产品展示了斯普利特公司利用自身的技术专长来提高热塑性复合材料的制造能力。

-热塑性复合材料感应焊接技术使用线圈和高频交变磁场在导电增强材料中感应涡流以产生热量。通过这种工艺，热塑性复合材料部件在加压条件下融合在一起，形成一个一体化的“粘合”组件，且无需额外材料，如粘合层中的粘合剂等。这项技术通过在没有紧固件的情况下连接零部件实现飞机减重，并能够允许更快速的部件组装生产速度。斯普利特公司在2020年美国复合材料制造商协会(ACMA)热塑性复合材料分会上展示了飞机前轮舱隔板组件，该部件显示了大型复杂几何形状自动纤维铺放热塑性复合材料制造能力，同时还采用了斯普利特公司专有的感应和电阻焊接技术进行的装配。

-大规模复杂结构成型。为了最大限度的利用好高速焊接，组件必须兼容热塑性复合材料。斯普利特正突破传统的热塑性复合材料冲压成型的规模和复杂性极限，并探索用于成型具有可变横截面的高纵横比零件的替代方法。斯普利特正在开发的复杂冲压成型零件，其典型件就是利用铺层递减和丝束牵引技术制造的机身框架部分。

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。得益于热塑性复合材料等创新技术，目前的飞机正在努力改变外形设计，使其比以往任何时候都更好、更轻。热塑性复合材料在航空航天领域的故事才刚刚开始，目前仍然需要更精湛的工艺才能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，斯普利特公司认为是时候优先考虑热塑性复合材料的开发，使得最新一代飞机所具备的先进功能和想法得以实现。（来源：航空工业信息网，陈济桁 摘自 spiritaero公司网站）