作为商用大飞机的标志性机型，Airbus A380 飞机上大量结构采用了碳纤维复合材料（Carbon fiber reinforced plastics, CFRP），同时结合先进的整体化设计思路，以及自动铺带（Automated tape laying, ATL）、自动铺丝（Automated fiber placement, AFP）等高度自动化手段进行制造，以达到高效率、高质量稳定性的效果，如图 1 所示。
图1 Airbus A380上的复合材料大型整体部件
相较于热固性复合材料，热塑性复合材料具有韧性好、疲劳强度高、冲击损伤容限高、成型周期短、易储存、可回收等优势。随着欧洲热塑性经济可承受性航空主结构（Thermoplastic affordable primary aircraft structure, TAPAS）、TAPAS 2、清洁天空（Clean Sky）、Clean Sky 2等一系列计划的相继推出，民用航空结构对航空材料的经济性、环保性等提出了更高的要求，热塑性复合材料因此成为研究和应用的焦点。图 2为高性能热塑性复合材料在民用航空应用中的发展历程，可以看出，高性能热塑性复合材料在民用航空应用中的地位愈发重要，表现为材料的种类不断增加，应用部位及结构形式变得多样，且逐渐从次承力结构向主承力结构发展。
图2 高性能热塑性复合材料在民用航空应用中的发展历程
目前，国际上高性能热塑性复合材料生产制造商主要包括荷兰Fokker（现已被英国GKN 收购）、TenCate（现已被日本 Toray 收购）、DTC、荷兰国家航空航天实验室（NLR），欧盟 Airbus，比利时 Solvay，德国 Evonik，美国 Boeing、Cytec（现已被比利时 Solvay 收购）、Hexcel、Ticona、Fiberforge，日本 Teijin 等。经过几十年的发展，业已形成了一系列商品化的热塑性树脂、预浸料等材料牌号。其中，增强材料主要包括碳纤维（Carbon fiber, CF）、玻璃纤维（Glass fiber, GF）等；高性能热塑性树脂基体主要包括聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide, PPS）、聚 芳 醚 酮（Poly aryl ether ketone, PAEK）、聚醚醚酮（Poly etherether ketone, PEEK）、聚醚酮酮（Poly ether ketone ketone, PEKK）、聚醚酰亚胺（Polyetherimide, PEI）等；预浸料主要有 TenCate Cetex 系列、Solvay APC 系列、Teijin Tenax 系列等。本文主要综述国外民用航空领域中先进热塑性复合材料的应用情况，为国内热塑性复合材料的应用方向提供参考。
聚苯硫醚复合材料
PPS 是特种工程塑料的典型代表之一，分子结构为苯环与硫原子交替相连而成的线性结构。在凝聚态结构上，PPS 易于结晶，结晶度将近70%，因此，具有良好的热稳定性、化
学稳定性以及尺寸稳定性等。PPS主要具有以下 5 个方面的性能优势。
（1）优异的耐热性能。PPS 熔点超过 280℃，热变形温度超过 260℃，且经过高温热老化处理后的强度保持率较高。
（2）自阻燃性。PPS 自身具有阻燃性，不加阻燃剂阻燃级别就可以达到 UL94 V—0 级。
（3）良好的力学性能。PPS 属于脆性材料，具有良好的耐蠕变性能，表面硬度高，具有良好的耐磨性，与碳纤维等材料复合，还表现出良好的自润滑性。
（4）优异的耐化学腐蚀、耐辐照性能。PPS 在 200℃以下几乎不溶于任何溶剂，能耐受几乎所有无机物，耐辐射剂量高达108Gy。
（5）良好的加工性能。PPS 熔体黏度较低，作为复合材料的树脂基体，对于增强体的流动浸润效果极佳。
由于 PPS 具有以上性能优势，且相较于其他高性能热塑性树脂又具有易加工、成本低的特点，因此成为制造复合材料的优良树脂基体。目前商品化的 PPS 预浸料主要由TenCate 公司及 Fiberforge 公司提供，所采用的树脂原料来源于 Ticona 公司的 PPS Fortron 系列牌号，TenCate公司的 Cetex TC1100 PPS 热塑性复合材料力学性能如表 1 所示。包括座椅架、支架、龙骨梁、肋、固定翼、尾翼、进气管、内饰等各类以 PPS作为树脂基体的热塑性复合材料结构在民用航空领域得到了广泛的应用，如表 2 所示。
表1 Cetex TC1100 PPS热塑性复合材料力学性能
表2 PPS复合材料主要应用机型及部位
Fokker 公司采用 GF/PPS 复合材料为空客 A340 飞机制造了机翼前缘，后又应用于 A380 机型上，如图 3 所示。作为承力结构，该结构原为铝合金材质，通过优化热塑性复合材料焊接工艺，成功替换为 GF/PPS复合材料，实现了大幅减重的目标。同时，Fokker 公司还计划开发下一代 PPS 复合材料制品，采用 CF 增强，制造如 Gulfstream G650 和 Dassault F5X 商用喷气式飞机尾部操纵面。
（a）机翼前缘外表 （b）机翼前缘内部结构
图3 Airbus A380飞机的GF/PPS热塑性复合材料机翼前缘
Fokker 公司采用 CF/PPS 热塑性复合材料，制造 Gulfstream G650飞机的方向舵和升降舵，如图 4 所示。预浸料采用 TenCate 公司的 Cetex 系列，树脂为 Ticona 公司的 Fortron PPS。采用热塑性复合材料替代原环氧树脂复合材料夹层结构，其重量减轻约 10%，成本降低约20%。Fokker 公司凭借该热塑性复合材料方向舵和升降舵的感应焊接技术获得了 2010 年 JEC 航空类的创新大奖。
图4 Fokker公司研制的CF/PPS热塑性复合材料舵面
能够采用焊接技术进行连接，是热塑性复合材料在航空结构上得到大力开发的主要原因之一。采用焊接连接的方式，避免了装配钻孔对复合材料力学性能的影响，减少了紧固件的使用，从而大幅降低了结构重量和装配成本。德国宇航中心（DLR）轻量化生产技术中心采用电阻焊接技术制造了新 A320 飞机后压力舱壁展示件。该技术的创新之处在于采用碳纤维结作为电阻元件替代原金属网，并通过弯曲的金属“焊接桥”施加压力，将 8 块 CF/PPS 复合材料部件焊接起来，如图 5 所示。
（a）后压力舱壁连接形式 （b）后压力舱壁零件
图5 Airbus A320飞机CF/PPS热塑性复合材料后压力舱壁展示件
A350 的机身连接角片使用TenCate 公司的 Cetex CF/PPS 热塑性预浸料，采用热压工艺成型，如图6 所示，整个机身使用的角片数量可达数千个。该预浸料使用 Teijin 公司的 Tenax 热塑性碳纤维织物作为增强体，特点是将 PEEK 用作碳纤维的上浆剂。该技术作为 Teijin 公司的核心技术，避免了热塑性复合材料成型前的去浆处理，改善了纤维与树脂的界面黏结性。Teijin 公司在欧洲建成了年产 1700t 热塑性树脂上浆碳纤维生产线，进而开发出 PEEK、PEKK、PPS 等热塑性单向预浸材料。
图6 Airbus A350飞机CF/PPS热塑性复合材料机身连接角片
飞机发动机短舱吊架是热塑性复合材料应用的重点部位，如图 7（a）所示。A340 飞机发动机短舱吊挂表面由 12 类、共 22 件蒙皮结构覆盖，均采用 CF/PPS 材料制造。结构长度 700~1400mm，宽度 200~400mm，厚度 2.8mm，具有复杂双曲率外型，表面铺设有防雷击铜网表面膜，如图7（b）所示。
（a）短舱吊架 （b）短舱吊架蒙皮
图7 Airbus A340飞机发动机短舱吊架
由法国 Daher 公司承制的空客A380 飞机发动机短舱吊架蒙皮，如图 8 所示。该结构是 A380 飞机发动机上 50 块短舱吊架蒙皮之一，采用 TenCate Cetex TC1100 CF/PPS 材料制造。该材料除具有优异的韧性和耐腐蚀性之外，还具有自熄阻燃性，可采用冲压工艺成型，从而极大提高了成型效率。
图8 Airbus A380飞机发动机短舱吊架蒙皮
