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熱塑性復(fù)合材料(TPC)在商用飛機(jī)及其他航空航天應(yīng)用領(lǐng)域得到應(yīng)用的勢(shì)頭越來(lái)越大，包括用于電動(dòng)垂直起降(eVTOL)飛機(jī)。對(duì)于除小型部件之外的應(yīng)用而言,TPC曾被認(rèn)為過(guò)于昂貴。目前，材料和加工技術(shù)的進(jìn)步，正在推動(dòng)TPC成為航空航天工業(yè)的焦點(diǎn)。

在越來(lái)越多的航空航天應(yīng)用中，TPC正在取代熱固性復(fù)合材料(TS)和金屬材料，這是因?yàn)門(mén)PC的組件和部件更輕、更耐用且加工效率更高。TPC的特性還開(kāi)辟了使用TS或金屬不可能或不容易實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)和制造選項(xiàng)。

從環(huán)境可持續(xù)性的角度來(lái)看，TPC部件和結(jié)構(gòu)的重量更輕，這有助于飛機(jī)OEMs降低飛機(jī)的燃料消耗與排放。TPC帶來(lái)的減重是明顯的，某些情況下遠(yuǎn)超過(guò)2000磅。此外，TPC可以輕松地得到回收和再利用，而回收TS（如使用熱解法）則是一個(gè)復(fù)雜且耗能的過(guò)程。

TS部件通常必須在熱壓罐中固化，而TPC則能夠在組裝過(guò)程中實(shí)現(xiàn)原位固結(jié)。帶有激光頭的新型自動(dòng)化纖維鋪放(AFP)和自動(dòng)鋪帶(ATL)設(shè)備可使TPC隨著纖維或帶材的鋪放而即刻得到固化。TPC還能適應(yīng)模壓成型、連續(xù)模壓成型、編織和3D打印等制造方法。在許多應(yīng)用中，在對(duì)TPC進(jìn)行這些加工后，除需要一些最終的修整外，幾乎不需要后處理。

TPC為使用更少的組件和加工步驟制造飛機(jī)部件及結(jié)構(gòu)打開(kāi)了大門(mén)，比如，傳統(tǒng)上通常需要將兩個(gè)或3個(gè)組件緊固在一起才能制成的部件，現(xiàn)在可以是一個(gè)單一的TPC焊接部件，而且還可以將其焊接到飛機(jī)上，這意味著材料浪費(fèi)更少，從而提高了材料利用率和經(jīng)濟(jì)效益。

雖然TPC仍比TS和某些金屬更為昂貴，但TPC加工設(shè)備的進(jìn)步使得現(xiàn)在使用TPC的經(jīng)濟(jì)模型已變得可行。采用這種自動(dòng)化的設(shè)備，使得TPC部件的制造過(guò)程要比TS的生產(chǎn)過(guò)程更快、更高效。TPC的焊接能力是其日益得到廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素。當(dāng)OEMs能夠焊接TPC部件而不是用緊固件、粘合劑和支架等來(lái)連接組件時(shí)，他們可以減輕重量并減少生產(chǎn)步驟。此外，可焊接性還適用于模塊化的裝配工藝。

比如，可以將飛機(jī)上的不同部件和子系統(tǒng)交給外部供應(yīng)商來(lái)制造，然后再將它們焊接和布線到飛機(jī)機(jī)身上。這種方法以其模塊化的制造效率而聞名，通常被用于汽車行業(yè)。相比之下，當(dāng)前大多數(shù)商用飛機(jī)的制造周期都很長(zhǎng)。

總之，通過(guò)更多地使用TPC，OEMs可以減輕20%或更多的重量。如果考慮總的制造成本，成品的成本可以降低30%-40%。

特別是，非熱壓罐的復(fù)合材料加工前景對(duì)于OEMs來(lái)說(shuō)很有吸引力，因?yàn)闊釅汗扪h(huán)需要耗費(fèi)時(shí)間、能源和資金資源，其瓶頸在于等待部件完成熱壓罐固化需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間。此外，TS預(yù)浸料需要冷藏，而且即使冷藏了，其保質(zhì)期也比可以在室溫下存放的TPC要短得多，而TS預(yù)浸料對(duì)冷藏的需求也給OEMs及其供應(yīng)鏈帶來(lái)了物流管理方面的挑戰(zhàn)。

TPC在商用飛機(jī)中的新應(yīng)用包括翼梁、桁條、機(jī)艙（發(fā)動(dòng)機(jī)短艙）和尾翼等。歐盟的“清潔天空”計(jì)劃已通過(guò)其多功能機(jī)身演示器(MFFD)項(xiàng)目而在TPC的應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。在一篇關(guān)于MFFD的文章中，“清潔天空”計(jì)劃表示：該項(xiàng)目成功的關(guān)鍵在于，復(fù)合材料熱塑性塑料能夠在多大程度上證明其適合將系統(tǒng)、客艙和機(jī)身的功能整合為一個(gè)統(tǒng)一的整體。

大量使用TS的飛機(jī)是由內(nèi)而外制造的，這限制了OEMs在未來(lái)根據(jù)需求來(lái)配置或更改飛機(jī)客艙內(nèi)飾的靈活度與自由度。而大量使用TPC的飛機(jī)是由外而內(nèi)制造的，這賦予了OEMs更大的控制和選擇余地來(lái)確定飛機(jī)內(nèi)部的制造和完成方式。“通過(guò)更模塊化的設(shè)計(jì)形式，當(dāng)航空公司希望更換客艙元素時(shí)，將能夠?qū)团搩?nèi)飾進(jìn)行適應(yīng)性和改造性調(diào)整”，清潔天空計(jì)劃如此表示。

除模塊化設(shè)計(jì)選項(xiàng)外，熱塑性復(fù)合材料(TPC)還為創(chuàng)建流線型輪廓和復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)提供了靈活性。相比金屬材料，TPC具有更優(yōu)異的可彎曲性，使其特別適用于大曲率半徑的環(huán)形或管狀結(jié)構(gòu)。例如，Daher公司采用TPC為羅爾斯羅伊斯UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)制造大型進(jìn)氣口隔框——這個(gè)周長(zhǎng)數(shù)米的隔框采用分四部分組裝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在該項(xiàng)目的博文中，Daher特別指出TPC材料有助于解決航空航天工業(yè)面臨的"雙重困境"：環(huán)保要求與競(jìng)爭(zhēng)力提升的雙重挑戰(zhàn)。

對(duì)于從頭開(kāi)始全新設(shè)計(jì)的飛機(jī)項(xiàng)目而言，TPC極有可能成為設(shè)計(jì)師們優(yōu)先考慮選用的主要材料。在這些項(xiàng)目中，OEMs可以完全不受束縛地重新評(píng)估和選擇最適合的材料與加工途徑，這為高效的TPC 模塊化組裝建立專門(mén)設(shè)計(jì)的新的生產(chǎn)線提供了一個(gè)機(jī)遇。

TPC還越來(lái)越受到eVTOL飛機(jī)制造商們的歡迎。這些飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)模式，要求它們的制造要比大型商用飛機(jī)的制造來(lái)得更快且成本更低。如果受到熱壓罐和冷藏柜容量的限制，eVTOL OEMs就不太可能成功地?cái)U(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。因此，他們需要“能在幾秒鐘而不是幾小時(shí)內(nèi)就能制成飛機(jī)部件”的材料和生產(chǎn)工藝。

TPC特別適合用于eVTOL飛機(jī)的螺旋槳葉片。TPC材料賦予葉片韌性和抗損傷性，使其能夠承受巨大的應(yīng)力。eVTOL飛機(jī)有許多螺旋槳葉片，因此葉片的耐久性對(duì)于OEMs向其客戶提供整體價(jià)值主張起著至關(guān)重要的作用。葉片越堅(jiān)韌，其使用壽命就越長(zhǎng)。

一些OEMs正在考慮將TPC用于航天器運(yùn)載火箭，但需要進(jìn)行更多的測(cè)試，以檢驗(yàn)TPC在遭遇極端溫度劇烈變化時(shí)能保持多高的穩(wěn)定性，以及在承受可能來(lái)襲的流星碎片的高速撞擊時(shí)具有怎樣的耐久性。

在航空航天業(yè)，變化不是一蹴而就的。安全標(biāo)準(zhǔn)要求要對(duì)材料和工藝進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證。許多TS材料，憑借悠久的航空航天應(yīng)用史，已獲得眾多OEMs的認(rèn)證，并通過(guò)了美國(guó)國(guó)家先進(jìn)材料性能中心（NCAMP）的認(rèn)證。而在認(rèn)證方面，TPC仍然是新生事物。截至撰寫(xiě)本文時(shí)，只有一個(gè)TPC 獲得了NCAMP的認(rèn)證，其他有一些已通過(guò)個(gè)別OEMs針對(duì)特定應(yīng)用的認(rèn)證。

與TS供應(yīng)相比，TPC供應(yīng)相對(duì)不成熟。隨著更多的TPC被開(kāi)發(fā)出來(lái)并獲得NCAMP認(rèn)證，TPC的應(yīng)用預(yù)計(jì)將迎來(lái)迅猛增長(zhǎng)。通過(guò)NCAMP認(rèn)證的TPC，意味著其獲得了一個(gè)公認(rèn)的、可共享的“質(zhì)量證明”，這使得生產(chǎn)TPC部件的供應(yīng)商能更容易地將其產(chǎn)品賣給各種規(guī)模的OEMs，而不再僅限于那些行業(yè)巨頭。

確保對(duì)材料格式要求的制定要根據(jù)TPC獨(dú)有的、細(xì)微的特性和行為方式而量身訂制也很重要。比如，經(jīng)驗(yàn)豐富的TPC規(guī)格制定者在制定分切帶的產(chǎn)品規(guī)格時(shí)，能夠精確地設(shè)定所有必要的公差，而且這些公差的設(shè)定是基于對(duì)客戶使用設(shè)備的深刻理解，確保材料與那臺(tái)特定機(jī)器完美匹配，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫生產(chǎn)。規(guī)格制定者還能與上游的TPC材料供應(yīng)商合作，確定最適合應(yīng)用的卷料的長(zhǎng)度和寬度。無(wú)論是需要將材料切碎用于模壓成型，還是需要將材料分切成超薄的帶材用于增材制造工藝，規(guī)格制定者都可以根據(jù)所需的最終用途來(lái)訂制TPC。

隨著新的TPC材料、加工設(shè)備和焊接技術(shù)的進(jìn)步，飛機(jī)OEMs在設(shè)計(jì)和制造創(chuàng)新方面擁有了廣泛的新機(jī)遇。下一代飛機(jī)有望更輕、更環(huán)保且制造效率更高，這在很大程度上要?dú)w功于TPC的發(fā)展。