根據波音公司的 2020-2039 年商業市場展望，到2039年，將有48,400架商用飛機飛行，比2019 增加22,500 架。與此同時，航空公司正在加快舊飛機的更換周期，以提高機隊的效率和可持續性。熱塑性復合材料可以幫助航空航天制造商滿足這種迅速增長的需求。

 

鋁和鋼等傳統金屬占飛機生產制造過程中材料用量的70%。但市場對更輕質、更高效的飛機需求正不斷上升。在減輕飛機重量的熱固性復合材料方面，研究人員已經擁有豐富的專業知識，隨著行業發展，熱塑性復合材料也逐漸成為研究重點。兩種類型材料都使用碳纖維增強聚合物的高比剛度和強度來設計更輕質、更高強的飛機。

 

熱塑性塑料為該行業提供了許多優勢，輕質碳纖維增強熱塑性塑料 (CFRTP) 部件具有出色的強度和剛度；耐腐蝕性、耐化學性和耐疲勞性；和耐用性。它們的性能通常優于同等金屬部件。

 

此外，輕質結構的抗沖擊性能近年來得到了十分廣泛和深入的研究，涉及的載荷有接觸和非接觸式的空氣以及水下爆炸、高速破片侵徹和撞擊等，對于其工程應用有重要的指導意義。熱塑性復合材料由于半結晶高分子良好的耐熱性，剛度和韌性，因此具有比熱固性復合材料高的損傷容限，韌性和耐沖擊性能，這在航空中有著天生的優勢。其中，碳纖維增強復合材料層合板憑借其高比強度、高比模量以及較好的隱身吸波性能，在航空航天領域以及快速響應艦船工業中已經取代了部分傳統的金屬材料和結構，成為現代三航工業領域不可或缺的一部分。

 

它們也是一種可持續材料，熱塑性部件的重量比相應的金屬部件輕，使航空公司能夠減少燃料和碳排放。此外，熱塑性復合材料是可回收的，因此制造商可以將生產廢料和報廢零件中的材料熔化并重新使用。

 

更廣泛采用熱塑性飛機零件的一個缺點是生產速度。直到過去十年左右，用于熱塑性塑料的布局、整合和零件成型工藝與用于熱固性塑料的工藝相似。這包括高壓滅菌處理，這可能需要數小時。

 

材料和制造方面的發展為加快生產開辟了道路。使用自動化設備和非高壓釜加工，制造商證明他們可以以更快的速度生產出質量更高的熱塑性塑料部件，使其成為飛機生產的一種具有成本效益的選擇。

 

 

設計師也越來越適應熱塑性塑料。特別是在歐洲，預測建模和軟件增加了工程師對材料的信心。“一旦原始設備制造商和一級供應商的工程團隊了解如何設計和實施材料，并對制造過程充滿信心，您就能夠真正克服說‘這是新的’的心理壁壘。我不知道如何在生產項目中設計和實施熱塑性塑料。”相關人員說。

 

目前，熱塑性復合材料正取代各類應用中傳統材料，通常應用于較小的零部件。在較大的部件中使用熱塑性復合材料，如縱梁、框架、艙壁和機身蒙皮板等，航空裝備減重效果將非常顯著，整個行業也會極大受益。
 

 

 

熱塑性復合材料將如何支撐下一代飛機發展？
 

熱塑性復合材料已明確可以在三個關鍵領域得到佳應用：新一代常規飛機、可消耗飛行器和城市空中交通（UAM）飛行器等新興市場。每個領域都需要輕型、高性能的飛機，而熱塑性復合材料制造的零部件易于生產、成本低廉且堅固耐用。

 

常規飛機。下一代常規飛機（主要是新一代單通道窄體民用客機），需要優先考慮減少排放和節省燃料成本，同時兼顧制造成本降低，需要使用能夠減輕重量、經濟實惠、易于回收且保證質量的材料。

 

可消耗飛行器?？上娘w行器是國防領域的戰略發展重點，這類飛行器往往是無人駕駛的，旨在輔助載人飛行器執行冒險性任務，規避人身風險。因此這類產品需要生產制造選關注成本效益，這樣才能在挽救飛行員生命的同時犧牲它們，不會造成較大的經濟損失。

 

城市空中交通等新興市場。一些新興市場，如城市空中交通飛行器，將與如今制造和生產飛機的方式大不相同。熱塑性復合材料及相關工藝技術的發展可以輔助其快速周轉，實現這類飛行器的大批量制造。

 

熱塑性復合材料的應用
 

熱塑性復合材料在飛機和航天器中的應用越來越多，以減輕重量，提高質量，降低制造和維護成本。

 

 

飛機內部表面的清潔和消毒方式可以迅速降解傳統塑料材料。

 

初為醫院使用而開發的新型抗菌和抗消毒劑塑料現在正被指定用于飛機內飾。這些材料的配方是為了滿足商業飛機所要求的嚴格的火焰、煙霧、毒性和熱釋放的標準。

 

 

需要高強度和高剛度的航空結構傳統上都是由金屬或熱固性復合材料制成。然而，這些材料有一些顯著的限制。金屬很重，限制了它們在需要輕質的航空航天應用中的使用。熱固性復合材料往往是脆性的，通常具有較差的耐化學性。熱固性制造是勞動密集型的，大多數熱固性復合材料不適合在100℃以上的溫度下使用。

 

恩辛格公司開發的一類新的熱塑性復合材料的強度和模量（硬度）值可與金屬和熱固性材料相媲美。該技術涉及連續玻璃纖維或碳纖維嵌入熱塑性聚合物基體，通常由聚醚醚酮（PEEK）或Ultem PEI（聚醚酰亞胺）組成。由于基體是由高性能、熱穩定的塑料制成，這些復合材料可以在高溫下使用。

 

熱塑性復合材料具有許多與熱塑性塑料相關的優點，包括延展性、抗疲勞性和減震特性，以及對燃料、潤滑劑和清潔化學品的抵抗力。由這些材料制成的板材可以使用加熱的金屬工具快速成型為成品部件，降低了制造成本。

 

 

依靠射頻信號控制飛行操作的無人駕駛飛行器（UAV）、無人機和衛星的激增，增加了對高度可靠天線的需求。佳的天線功能要求塑料天線罩在所需的頻率和整個設備的工作溫度范圍內不會明顯衰減射頻信號。具有低介電常數和低耗散系數以及增強的韌性、抗紫外線（UV）性和熱成型性的專用工程塑料正越來越廣泛地被指定用于保護天線天線罩。

 

 

 

由于配對的金屬表面受到振動和/或滑動磨損時的固有問題，金屬與金屬的連接往往是飛機組件的故障點。越來越多的設計者將韌性好、性能高的聚酰亞胺材料用于諸如花鍵聯軸器和鎖定緊固件的防旋轉元件，以分離金屬部件的應用。在組件中引入聚合物元素可以延長使用壽命，并延長所需維護周期的間隔時間。

 

對于通過連接的旋轉金屬軸向各種飛機系統傳輸動力的花鍵連接，由杜邦Vespel聚酰亞胺制成的高溫聯軸器被安裝在配對的金屬花鍵之間，以實現更順暢的操作和更長的壽命。當旋轉的金屬軸輕微錯位時，這種方法可以減少花鍵的磨損。聚合物的延展性允許軸的錯位，而不會對金屬軸、軸承或驅動電機產生過度的壓力。

 

在航空鎖定緊固件中，杜邦Vespel聚酰亞胺被用作螺母或螺栓中的延展性鎖定元件，以防止不必要的旋轉，而在組裝或拆卸維修時不損壞配套的金屬緊固件。這種聚合物元件可防止與所有金屬鎖定緊固件設計相關的咬合。

 

在這兩個例子中，聚合物的延展性和磨損性能減輕了與金屬間接觸有關的問題。

 

 

長期以來，塑料一直是需要電氣絕緣性能的應用的選材料?，F代軍用和民用飛機的電氣系統可能特別具有挑戰性，因為除了具有良好的介電強度和抗電弧性外，聚合物絕緣體還必須對飛機燃料和潤滑劑具有耐受性；能夠承受振動、磨損和疲勞；并具有出色的可燃性。飛機上的塑料絕緣子還必須在廣泛的溫度范圍內工作--從巡航高度的極冷到噴氣發動機附近的極熱。

 

飛機電氣系統設計者現在指定使用含氟聚合物，如聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙烯丙烯（FEP）和全氟烷氧基烷烴（PFA），以及高性能熱塑性塑料，，用于要求嚴格的航空電氣應用，括支架絕緣子、收縮管和柔性電線包絕緣。