熱塑性復(fù)合材料（TPCs）是一項(xiàng)誘人的技術(shù)，將在增強(qiáng)塑料市場獲得越來越大的份額。
想象一下從電動(dòng)汽車的快速熱成型結(jié)構(gòu)件，到快速移動(dòng)的空氣動(dòng)力學(xué)表面上的抗沖擊前緣的每件產(chǎn)品，很多人都將這類材料視作復(fù)合材料未來的新浪潮。也有人將其看作是特異性高端應(yīng)用與大眾市場之間所缺失的一環(huán)。
諷刺的是，熱塑性塑料與金屬之間的競爭與熱固性塑料一樣面臨掣肘。借由廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)師日益強(qiáng)大的自信心，熱固性塑料的應(yīng)用迄今已經(jīng)累積了大量的經(jīng)驗(yàn)，使得這些復(fù)合材料能夠替代金屬或與之配合使用。但事情不總是如此，熱塑性復(fù)合材料面臨著與熱固性復(fù)合材料同樣的一些阻礙，后者已對其加以大力克服--即缺少熟悉度，沒有已建立的設(shè)計(jì)規(guī)范，缺乏材料性能數(shù)據(jù)和得到驗(yàn)證的生產(chǎn)技術(shù)等。投資總是傾向于經(jīng)過反復(fù)考驗(yàn)的傳統(tǒng)復(fù)合材料，導(dǎo)致了增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的繁榮發(fā)展，而熱塑性復(fù)合材料則被認(rèn)為具有高風(fēng)險(xiǎn)，唯有從陰影中逐步前進(jìn)。然而當(dāng)前，熱塑性塑料得到了更多的了解，人們知道它能夠帶來的更多。
對飛行器而言，它們能帶來數(shù)倍于其競爭對手熱固性塑料的出眾的抗沖擊性，具有防火、低煙、無毒的特性，耐受大多數(shù)航空流體，以及制造前在材料倉庫中的無限儲存期。由于可熔融加工，它們能采用熱成型，之后也可在新應(yīng)用中再成型。它們可采用熔接制造具有高度完整性的連接口，避免因采用緊固件而增加重量又耗費(fèi)成本。在其使用期結(jié)束時(shí)，它們還可回收。其生產(chǎn)工藝通常都比較快，一般無需采用熱壓罐固化。生產(chǎn)過程中的揮發(fā)性有機(jī)物排放也根本不成問題。還可以采用纖維自動(dòng)鋪放設(shè)備及其他自動(dòng)化設(shè)備。這類復(fù)合材料適用于高度集成結(jié)構(gòu)，這一特點(diǎn)加上其重量輕的特質(zhì)，使之在最小化結(jié)構(gòu)件數(shù)量方面與熱固性材料一樣富有價(jià)值。
圖1. ?？撕娇战Y(jié)構(gòu)公司（NL）、灣流航宇公司（USA）、KVE 復(fù)合材料集團(tuán)（NL）、TenCate 先進(jìn)復(fù)合材料公司（NL）以及泰科納集團(tuán)（GER）參與了所有新型灣流G650 尾翼部分的首款焊接熱塑性復(fù)合材料方向舵和起落架的研發(fā)。（圖片：TenCate）
汽車行業(yè)非常重視生產(chǎn)周期，比起領(lǐng)先的商業(yè)飛機(jī)制造商每月力爭生產(chǎn)10到12 架飛機(jī)，這個(gè)行業(yè)每天都要生產(chǎn)成百上千的汽車。的確，熱塑性復(fù)合材料可以在僅僅幾分鐘的生產(chǎn)周期內(nèi)加工完成，僅是熱固性塑料部件所需固化時(shí)間的一小部分。與在航空領(lǐng)域中一樣，這種材料的減重能力非常關(guān)鍵，尤其是在電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車上。對于汽車制造商來說，另一個(gè)巨大的好處是，熱塑性塑料能幫助他們迎合生命周期結(jié)束后的回收指標(biāo)，現(xiàn)在國內(nèi)國際的監(jiān)管部門都已強(qiáng)制執(zhí)行。
不好的地方在于，由于大多數(shù)熱塑性樹脂天生具有高粘度，不是像熱固性塑料那樣的液體，因此它在浸漬增強(qiáng)纖維時(shí)就比較難，通常需要樹脂融化所需的溫度和一定壓力的配合。需要專門的模具和設(shè)備，從而增加了制造成本。而熱塑性樹脂與增強(qiáng)纖維之間的連接強(qiáng)度仍可能存在問題，盡管纖維浸潤劑和表面處理技術(shù)已經(jīng)逐漸減少了這些問題。另一個(gè)缺點(diǎn)在于，事實(shí)上有些熱塑性塑料在長時(shí)間負(fù)載下比熱固性塑料更傾向于發(fā)生蠕變。某些熱塑性塑料則會在陽光直射和紫外光下發(fā)生降解。某些則會在高溫下熔化，盡管有些熱塑性塑料能夠承受
以下是一些關(guān)于熱塑性塑料如何在一些特定領(lǐng)域中“引起轟動(dòng)”的例子。
航空航天
航空器的建造者為熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)開辟了一條道路，該行業(yè)偏愛高規(guī)格的樹脂，比如聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮（PEK）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚砜（PES），以及聚苯硫醚（PPS）。例如， 十幾年前， 韋斯特蘭直升機(jī)（Westland Helicopters）采用PEEK試驗(yàn)制造了具有復(fù)合材料水平尾翼的直升機(jī)。如今，阿古斯特• 維斯特蘭（Agusta-Westland），原公司的Anglo-Italian 企業(yè)繼任者，在其商業(yè)化生產(chǎn)的AW169 直升機(jī)上采用了碳纖維增強(qiáng)PPS水平尾翼。
圖2. TenCate 為空客A350 等飛機(jī)生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料。（圖片：Alexandre Doumenjou）
TenCate 公司一直以來都是連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料主要的支持者和開發(fā)者，該公司現(xiàn)已向市場推出了一系列材料，包括碳纖維、玻璃纖維及氨綸纖維增強(qiáng)的PEEK、PEI 及PPS 樹脂單向纖維預(yù)浸料，以TenCate Cetex® 品牌出售?？罩锌蛙嚨凝堫^產(chǎn)品超大型飛機(jī)A380 的機(jī)翼前緣和較小型的四發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)A340 采用了以PPS 為樹脂基的復(fù)合材料，再度確保了高耐沖擊性。Cetex半預(yù)浸料保護(hù)空客A
灣流宇航公司（The Gulfstream Aerospace）G650 公務(wù)機(jī)擁有熱塑性復(fù)合材料方向舵和起落架，這兩部分的零組件采用了感應(yīng)焊接來連接。其結(jié)構(gòu)由TenCate Cetex 碳纖維增強(qiáng)PPS 預(yù)浸料制造。工藝采用了一臺感應(yīng)焊接機(jī)器人將翼梁和翼肋焊接到蒙皮上，碳纖維則有助于工藝過程中的熱傳導(dǎo)。為了獲得最高的質(zhì)量水平，這些零部件還在熱壓罐內(nèi)進(jìn)行了一個(gè)額外的循環(huán)。TenCate先進(jìn)復(fù)合材料有限公司集團(tuán)董事Frank Meurs 稱此為熱塑性復(fù)合材料的一種典型應(yīng)用。
“這一應(yīng)用將先進(jìn)的設(shè)計(jì)、材料和工藝齊聚到了一個(gè)成功的組合中，獲得了高性能的飛機(jī)主結(jié)構(gòu)件?？箾_擊性能、較輕的重量以及部件的整合度是其優(yōu)勢所在。”
此外，飛機(jī)操縱面被認(rèn)為是商業(yè)飛機(jī)最早使用的熱塑性復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)件，據(jù)說其重量不到過去（熱固性）復(fù)合材料重量的十分之一，而成本則不到它的五分之一。
TenCate 公司的材料應(yīng)用于一系列的商業(yè)及軍事航空領(lǐng)域，包括雷達(dá)罩、無人機(jī)、直升機(jī)、輕型飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和空間站。Frank Meurs 指出，該公司在熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其是航空航天領(lǐng)域，擁有25 年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。其熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料具有豐富的“飛行”經(jīng)驗(yàn)，它們因其最佳的樹脂化學(xué)，以及采用具有成本效益的非熱壓罐工藝提高零部件產(chǎn)量和生產(chǎn)力而受到重視。該公司也向工業(yè)、休閑、通訊和彈道防護(hù)系統(tǒng)的制造商提供熱塑性復(fù)合材料及其專業(yè)技術(shù)。
總體來說，荷蘭已經(jīng)建成了一套有關(guān)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的領(lǐng)先專業(yè)技術(shù)。在材料研發(fā)領(lǐng)域，TenCate 還與代爾夫特理工大學(xué)（the University of Delft）擁有長期合作；而在熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域，屯特大學(xué)（the University of Twente）的生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)小組自2008年已與TenCate 公司、福克航空結(jié)構(gòu)公司以及波音公司并肩工作，并重點(diǎn)關(guān)注連接和焊接方法。
最近， 法國的一級供應(yīng)商Daher-Socota 加入了這個(gè)團(tuán)體，助力于航空用增強(qiáng)熱塑性塑料技術(shù)的開發(fā)和促進(jìn)。這家法國公司在增強(qiáng)熱塑性塑料領(lǐng)域擁有大量的跟蹤記錄，該公司的總裁和首席執(zhí)行官指出，僅在2013 年，公司就向五個(gè)飛機(jī)項(xiàng)目交付了零部件。
根據(jù)Daher 的聲明，“這些高科技材料的應(yīng)用正日漸增長，因?yàn)樗鼈兡軒韮?yōu)于熱固性復(fù)合材料的顯著優(yōu)勢，它們能在高溫下成型和焊接，使之適用于如超聲波和感應(yīng)焊接技術(shù)這樣的快速生產(chǎn)技術(shù)。”
Daher-Socota 使用了一系列纖維和樹脂的材料組合，包括適用于PEEK、PEK、PPS 和PEI 樹脂基的碳纖維和玻璃纖維。其在法國南斯的制造中心為空客A
圖3. 汽車應(yīng)用中的熱塑性塑料汽車底板。（圖片：TenCate）
成本，尤其是PEEK 的成本，仍然制約了航空用熱塑性塑料的應(yīng)用。業(yè)界意圖更加廣泛地采用成本更低、加工更快的PEKK 材料，卻因該材料較低的機(jī)械性能受到阻礙，但研究人員希望研發(fā)出一種性能和成本介于PEEK 和PEKK之間的新型樹脂基材料。這種材料能夠擔(dān)當(dāng)在機(jī)翼中的應(yīng)用，在該應(yīng)用中，其對航空燃油和其他航空液體的耐腐性特點(diǎn)將會非常有利。
汽車
另一個(gè)為熱塑性塑料帶來巨大希望的領(lǐng)域是汽車，尤其是電動(dòng)汽車，其有望終結(jié)那無所不在的內(nèi)燃機(jī)汽車的統(tǒng)治地位。電動(dòng)汽車現(xiàn)在真的在馬路上出現(xiàn)了。一個(gè)有趣的例子是德國知名汽車制造商的BMWi3。這輛五門的城市電動(dòng)汽車是寶馬公司的首輛零排放量產(chǎn)車，同時(shí)也是首款擁有熱塑性塑料外蒙皮的車型。盡管在此案例中的熱塑性塑料并非纖維增強(qiáng)材料，但其應(yīng)用將有助于加速技術(shù)型熱塑型塑料在公路車輛上的采用，既包括增強(qiáng)型，又包括非增強(qiáng)型材料。因而值得在此一提。
為了兌現(xiàn)其單次充電可行駛80 ～
最終得到一副堅(jiān)固的汽車車身，重量僅為同類由鋼焊接面板制造的車輛的一半。它的許多內(nèi)部組件由碳纖維增強(qiáng)聚氨酯（PU）制造，據(jù)說這是此種熱塑性復(fù)合材料的首個(gè)車輛應(yīng)用。例如，有一種復(fù)合材料由來自可回收碳纖維增強(qiáng)塑料的纖維來增強(qiáng)聚氨酯樹脂基，它被用來制作后座殼體。預(yù)計(jì)這種技術(shù)未來將獲得廣泛的應(yīng)用。
其他應(yīng)用包括一些特制零件。例如，瑞士公司Kringlan Compos ites 與TenCate 先進(jìn)復(fù)合材料公司合作為高性能汽車研發(fā)一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料車輪。Kringlan 負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造，而TenCate 則投入了其熱塑性復(fù)合材料方面的專門技術(shù)。有望比同等金屬車輪減少30 ～ 40% 的重量。Kringlan 指出，其已經(jīng)開發(fā)了一種專利技術(shù)，能用于復(fù)合材料車輪的連續(xù)生產(chǎn)，遵循了業(yè)界最高的性能標(biāo)準(zhǔn)，包括承重大以及耐沖擊力好。TenCate 預(yù)測，未來，熱塑性復(fù)合材料、數(shù)字印刷以及先進(jìn)的3D 設(shè)計(jì)技術(shù)將同時(shí)出現(xiàn)在一系列汽車組件上，這將幫助汽車制造商們滿足日漸嚴(yán)格的立法要求，不僅在減少排放和道路安全方面，也包括使用壽命結(jié)束后的回收利用方面。
在幾種目前正處于不同研發(fā)階段的未來應(yīng)用中，有一種自動(dòng)傾卸卡車的翻斗（傾倒部分）采用了熱塑性復(fù)合材料，而“超級巴士”，一種所謂的巴士系統(tǒng)，其大部分結(jié)構(gòu)都基于熱塑性復(fù)合材料。TenCate 公司的Frank Meurs 為車用熱塑性復(fù)合材料預(yù)言了一副錦繡前程。正如他對《增強(qiáng)塑料》（Reinforced Plastics）雜志所說。
“在減少與熱固性材料制造相關(guān)的工藝時(shí)間上還有很大的空間。這一點(diǎn)對于像汽車這樣大批量制造的產(chǎn)品來說是無比重要的。另一個(gè)好處是零部件的組合相對容易，以致零部件數(shù)量大大減少，并將在未來加快整體生產(chǎn)速度。我認(rèn)為，未來增強(qiáng)型熱塑性塑料將在汽車的主要結(jié)構(gòu)件，比如立柱和車架上增加使用。”
TenCate 還與巴斯夫公司建立了合作聯(lián)盟，共同研發(fā)模塑材料，其將在不同密度和方向上采用長纖維增強(qiáng)材料，這取決于汽車客戶對結(jié)構(gòu)的要求。
可再生
增強(qiáng)型熱塑性塑料在可再生能源結(jié)構(gòu)上也有很大的發(fā)展空間。例如，風(fēng)機(jī)葉片的制造商受到熱塑性復(fù)合材料可能相對較短的模具周期和相對簡單的修復(fù)和再循環(huán)能力吸引，盡管他們目前還對成型如此巨大的產(chǎn)品的實(shí)際可操作性，以及不確定的靜態(tài)特性、疲勞性能、吸水性，尤其是制造成本感到信心不足。
工藝需要采用一種液體樹脂或接近液體的樹脂，因?yàn)樵诖笮蛯?shí)用型風(fēng)機(jī)葉片的生產(chǎn)中，在壓力下熔融共混具有高粘度的基體材料是不可行的。因此，愛爾蘭的EireComposites Teo 公司采用環(huán)對苯二甲酸丁二酯（cyclic butylene teraphthalate，即CBT）生產(chǎn)了一個(gè)長
圖4. 在可再生能源結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，增強(qiáng)熱塑性塑料也大有可為。（圖片：Jesus Keller/Shutterstock.com）
同時(shí)， 荷蘭的葉片制造商Global Blade Technology（現(xiàn)已破產(chǎn)的General Blade Technology BV 的貿(mào)易名稱），將葉片的經(jīng)濟(jì)可承受性作為目標(biāo)，與代爾夫特理工大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)并肩工作，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種陰離子聚酰胺（APA-6），這是一種反應(yīng)型熱塑性塑料，具有高度的流動(dòng)性和可加工性，與熱固性塑料有幾分相似。源自代爾夫特的消息稱，APA-6 的粘性就像水一樣，因此在復(fù)合材料的初期生產(chǎn)階段非常容易浸潤纖維增強(qiáng)材料。據(jù)說，這種熱塑性塑料顯示了杰出的靜態(tài)特性和很好的耐疲勞性，這是風(fēng)機(jī)葉片用復(fù)合材料的其中一個(gè)主要條件。經(jīng)濟(jì)可承受性、較短的灌注和固化周期，以及經(jīng)濟(jì)再循環(huán)性則是其宣稱的其他優(yōu)勢。
然而實(shí)驗(yàn)表明，APA-6 可能比CBT 更易吸濕，因此需要在整個(gè)生產(chǎn)周期中進(jìn)行干燥。哪種低粘性基體材料最適合制造風(fēng)機(jī)葉片，或者是否有其他更加適合的熱塑性塑料，有關(guān)的爭論還在繼續(xù)。無論選擇了何種材料，都必須適用于大部分葉片制造商已經(jīng)采用的真空灌注成型工藝，并且必須能夠大批量供應(yīng)。
目前，一個(gè)由歐盟委員會在歐盟第七框架計(jì)劃下建立的為期四年的項(xiàng)目，正處于改進(jìn)葉片設(shè)計(jì)的階段，改進(jìn)方法是通過在海上風(fēng)電葉片的某些零部件中用高性能熱塑性復(fù)合材料代替熱固性材料。“采用具有成本效益的先進(jìn)復(fù)合材料之風(fēng)機(jī)葉片的輕量化設(shè)計(jì)項(xiàng)目”（Wind Blade Using Cost-Effective Advanced Composite Light-Weight Design， 簡稱WALiD）始于2013 年，旨在向風(fēng)機(jī)葉片的葉根、葉尖、葉殼夾芯及抗剪腹板引入熱塑性復(fù)合材料，以減輕重量、減少成本。用熱塑性泡沫材料取代外殼夾芯能令芯材密度得到優(yōu)化，適應(yīng)葉片不同區(qū)域所承受的負(fù)載，也能與快速自動(dòng)化工藝相配合。有一種熱塑性塑料涂層能夠提高葉片的環(huán)境抗力和耐磨性，以及防冰性能和耐用性。歐洲十一國組織組成了WALiD 財(cái)團(tuán)，向該項(xiàng)目提供了五百多萬歐元，歐盟委員會則提供了大約四百萬歐元。
某些企業(yè)和機(jī)構(gòu)，比如丹麥的LM風(fēng)電集團(tuán)（LM Wind Power）擔(dān)心，采用熱塑性復(fù)合材料技術(shù)在風(fēng)機(jī)葉片上代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱固性塑料太過昂貴，而且目前尚無熱塑性復(fù)合材料系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備好挑戰(zhàn)熱固性塑料的首要地位。
即使是EireComposites 公司顯然也對干燥周期、粘度變化、模具冷卻、CBT的可用性等影響因素持保留意見，令其轉(zhuǎn)而尋求新型熱固性塑料解決方案，例如采用環(huán)氧樹脂粉末技術(shù)。然而，熱塑性復(fù)合材料與生俱來的吸引力依然巨大，研發(fā)人員仍在繼續(xù)尋找能夠?yàn)檫@種類型的復(fù)合材料在葉片的制造中帶來轉(zhuǎn)折點(diǎn)的材料、模具和工藝方法的組合。
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