吴琨

摘要：本文介绍了热塑性树脂基复合材料的特点及预浸料的制备和成型工艺，说明了热塑性树脂基复合材料在航空领域的应用情况以及材料在发展过程中存在的问题，并对今后的发展进行了展望。

Abstract： This paper introduces the characteristics of thermoplastic resin matrix composites and the preparation and molding process of prepreg， explains the application of thermoplastic resin matrix composites in aviation and the problems existing in the development of the materials， and looks forward to the future development.

关键词：复合材料;热塑性树脂;聚醚酰亚胺（PEI）;聚苯硫醚（PPS）;聚醚醚酮（PEEK）

Key words： composite materials;thermoplastics resin;PEI;PPS;PEEK

中图分类号：V258                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）09-0210-02

1  概述

航空航天用复合材料主要有以下几种：金属基复合材料、金属间化合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及树脂基复合材料，其中树脂基复合材料在航空领域的应用最为广泛，使用树脂基复合材料制造飞机零部件比金属材料的重量减轻20～30%，维修成本降低15～20%。因此，树脂基复合材料的用量已成为衡量飞机结构先进性的指标之一。根据树脂受热后的形态和性能，树脂基复合材料分为热固性树脂复合材料和热塑性树脂基复合材料[1，2]。由于热固性树脂复合材料制备工艺简单，可设计性强等特点，广泛应用于航空航天领域。

随着航空航天领域对轻质和高性能材料需求的不断提升，环氧、聚酯等传统热固性树脂基复合材料已经不能满足现有的需求，與这些热固性复合材料相比，热塑性树脂基复合材料具有高抗冲击和损伤容限、高韧性、良好的耐环境性和电性能、成型周期短、生产效率高、易修复、无需低温贮存且无贮存期、废品可回收再利用等优点，在飞机结构件之间可焊接成型，无需钻铆，可大大降低飞机的重量和制造成本，且结构效率得到了提高[3]。目前，树脂基复合材料中热塑性复合材料已占到总量的 30%以上，并广泛应用于国防军事、航空航天、汽车、建筑建材等行业[4]。

2  热塑性树脂基复合材料

热塑性树脂基复合材料由热塑性树脂基体和增强相复合而成，根据树脂及增强相的性能可将热塑性树脂基复合材料分为通用型树脂基复合材料和高性能树脂基复合材料。通用型树脂基复合材料主要以玻璃纤维以及少量碳纤维作为增强相，并以通用型热塑性树脂如PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）等作为基体，这类热塑性树脂制备工艺简单，生产周期短的特点，但由于热变形温度低，刚性差，因此这些热塑性复合材料主要用于一般工业领域。高性能复合材料主要以碳纤维或芳烃纤维等作为增强相，以聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚砜（PES）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等高性能树脂作为基体，这些树脂基体主要为聚芳醚系列树脂，其分子内部具有苯环结构，且具有优异的耐热性能、耐腐蚀和加工性能，特别是随着新型芳香族热塑性树脂基体的不断开发，提高了复合材料整体的强度和刚度，且耐热性和耐环境性也得到了提高，使得热塑性树脂基复合材料在航空航天、军事国防、电子、医疗及能源等领域得到了越来越广泛的发展和应用，成为复合材料领域异常活跃的研究开发的热点[3]，如以波音和空客为代表的航空制造企业纷纷开展相关的技术研究，着力研发高性能热塑性树脂基复合材料承力结构件，并在一些服役机型、试验机型上进行了应用研究，随着先进的热塑性树脂基复合材料制造技术的快速发展，尤其以自动铺带、自动铺丝以及连续压缩模塑等快速和低成本的成型工艺代表了航空领域热塑性树脂基复合材料结构件制造的发展方向[4]。

热塑性树脂基复合材料主要有三种材料形式：热塑性单向带、织物预浸料和增强热塑性层压板，其制备一般分为两步：预浸料的制备和产品的成型。目前预浸料制备方法主要有溶液浸渍法、热熔法、粉末浸渍法和悬浮-熔融法等。热塑性树脂基复合材料的成型方法参照热固性树脂基复合材料和塑料成型工艺，按照所用的设备分别分为注塑成型、热压成型、RTM成型、纤维缠绕成型、自动铺放成型等，其中纤维缠绕成型高效、稳定，波音和空客已成功应用缠绕成型技术制造热塑性树脂基复合材料制品[5]。

3  热塑性树脂基复合材料在航空领域应用

3.1 热塑性树脂基复合材料在民用航空领域的应用

在民用航空领域中，安全、经济和环保是首要考虑的因素，热塑性树脂基复合材料解决了这一迫切需要。目前，民用航空领域使用的热塑性树脂基复合材料主要包括PEI、PES、PPS和PEEK等4种。

PEI主要应用在方向舵、升降舵机翼后缘、压力舱壁板、货舱地板夹层结构面板和机翼整流罩等某些小且简单的结构件方面，如福克100、弯流V采用玻璃纤维/PEI和碳纤维/PEI用于制造货地板;弯流IV采用碳纤维/PEI用于制造方向舵肋;弯流V的增压隔框也采用了碳纤维/PEI;空客A340-500和A340-600的带检查口盖前缘分别采用了玻璃纤维/PEI和碳纤维/PEI，A330-200的方向舵前缘翼肋也采用了碳纤维/PEI[6]。