在 20 世纪 60 年代后期以及整个 1970 年代和 1980 年代，热塑性胶带被用于制造各种复合资料部件和结构，特别是在军事和国防应用中。 不难看出热塑性胶带的吸收力。作为 UD带，它们能够应用于许多受力结构，它们是可熔融加工的，并且能够经过压模成型（即热压罐外）或紧缩成型（图 1 和图 2）轻松快速地中止固结。它们提供了热固性资料无法比较的韧性，而且与热固性预浸料不同，它们能够在室温下无限期贮存。
但是，随着 20世纪90 年代国防开支的减少，特别是在美国，人们对热塑性胶带的兴味和应用也随之减少。杜邦（DuPont）、菲利普斯石油（Phillips Petroleum）、埃克森美孚（Exxon Mobil）、巴斯夫（BASF）和帝国化学工业 (ICI) 等曾在热塑性塑料胶带开发方面投入巨资的供给商退出了该业务。这并不是说热塑性塑料胶带的开发中止了，而是在热固性复合资料（包含热固性胶带）的开发正在加速的时分，热塑性资料带的展开明显放缓。这最终招致后者在波音 787、空客 A350 XWB 和其他商用飞机的大型航空结构中得到应用。 快进到 2018 年。商业航空航天界正在瞻望未来，下一个估量将耗费大量复合资料的大型飞机项目很可能是波音公司的新中型 (MOM- middle of the market) 飞机，旨在取代其 757。波音 737 和空中客车 A320 的重新设计也行将到来，这些窄体飞机是全球商业航空业的支柱。 在 787 和 A350 XWB 上运用复合资料的资料和工艺经济性与 MOM、737 和 A320 不同。最大的区别是速度。特别是 737 和 A320，它们是商业航空范畴目前最接近商品的产品，这意味着它们的制造速度越快，原始设备制造商的利润就越高。 737 和 A320（以及任何替代它们的机型）的目的产量是每月 60 架或更多，即每天两架飞机。在热压罐中固化的热固性复合资料目前不太合适这种高容量需求。这就是热塑性胶带重返制造业的缘由，它们具有热固性资料无法比较的循环时间、资料贮存、韧性和可回收性优势。 往常，它们已被用于制造更小的零件和子结构，包含用于将机身蒙皮衔接到桁条和框架的角片和支架。它们被用于小型飞机的许多结构，包含尾翼、机翼和公务机的其他部件。此外，由于热塑性塑料的韧性和耐腐蚀性，石油和自然气行业曾经接受了热塑性资料，汽车行业也被其对大批量制造和可回收性的顺应性而被吸收。那些在商用机身中运用热塑性塑料的人面临的最大问题是，它们在高负载飞机结构中能否可行？ 热塑性塑料专家 TenCate Advanced Composites USA Inc.（美国加利福尼亚州摩根希尔）的首席技术官 Scott Unger 在热塑性塑料范畴工作了 30 多年，他说：“热塑性塑料的增长正处于拐点。解脱热压罐、降低成本和简化零件组装的才干是重要的驱动要素。” 资料和工艺技术的现状 就本文而言，热塑性胶带由宽度达 12 英寸/305 毫米单向排列的碳纤维丝束组成，预浸有热塑性树脂。在航空航天和其他高性能应用中最常用的树脂是以下高性能热塑性塑料：聚醚醚酮 (PEEK)、聚醚酮酮 (PEKK)、聚芳醚酮 (PAEK)、聚醚酰亚胺 (PEI) 和聚苯硫醚 (PPS)。一些制造商提供预浸有商品热塑性树脂的胶带，例如聚酰胺 (PA)、聚丙烯 (PP) 等，但这些通常被以为不适用于大型航空结构。
关于航空航天工业， 最有出路的资料是 PEEK 和 PEKK。“总的来说，这两种聚合物都具有出色的高温性能、良好的韧性和耐化学溶剂性，以及低吸湿性，”预浸料供给商 Barrday Corp.（美国马萨诸塞州米尔伯里）热塑性塑料产品经理 Mike Buck 说。“PEKK 还提供更高的 Tg，以进步耐温性，并降低了加工的熔体温度。” 航空航天制造商 GKN Aerospace Fokker（荷兰 Hoogeveen）的研发总监 Arnt Offringa 表示，PEKK 能够提供与 PEEK 相当的性能，但在较低的熔融温度下加工，使其成为未来商业机身应用增长的首选。 热塑性树脂通常经过基于溶剂或基于水的粉末施加到纤维上。运用的预浸料措施会影响纤维的界面特性，水基工艺比溶剂基工艺产生更润滑的名义。大多数热塑性胶带的纤维体积分数在 40-60% 之间，航空级资料在 50-60% 范围内。 “假如机械性能是主要关注点，并且消费过程具有较长的循环时间和足够的压力和温度灵活性，那么 60% 的纤维体积很重要，”Buck 说。“更高速度或更低压力的工艺，如 AFP/ATL、非热压罐/烘箱加工等，将受益于更高的树脂含量。” 热塑性胶带能够被切割成更窄的胶带或丝束，也能够像热固性预浸料一样被切割成规则的外形来制造坯料，热塑性塑料胶带不像热固性胶带那样有衬纸（背衬）。 热塑性塑料的运用大大改动了制形废品零件的制造步骤。最重要的区别在于，热塑性塑料实质上在室温下是固体，必须加热到凝结温度才干成型。如前所述，PEKK 的 Tg 高于PEEK（160°C 与 140°C）；PEEK 的熔体温度高于 PEKK（390°C 与 340°C）。 Solvay Composite Materials（美国佐治亚州阿尔法利塔）复合资料研讨和创新小组技术研讨员 Jim Pratte 表示，资料的运用取决于应用，并指出 PEKK 是一种共聚物，能够针对不同的温度和结晶度中止定制, 而 PEEK 具有普遍的数据库，并且结晶速度更快。 这样的温度请求立刻便这些资料超越固化环氧树脂或任何其他热固性资料所需的温度。往常，用热塑性塑料带制造零件最常用的工艺是压模成形，将胶带切割成规则的外形，然后堆叠，再放入预热炉中软化和预固结，再将该叠层转移到成型压力机，该压力机通常由匹配的金属工具组成，可在高压 (250-500 psi) 下完整固结和冷却胶带。 “总的来说，我发现与加工热固性资料相比，热塑性塑料的加工通常需求'逆向'的思想过程，”Buck 说。“例如，关于热塑性塑料，通常不想在模具中固化零件，而是构成预热、预加固的层压板，然后运用工具冷却预热的零件。” 原位固结（图 3）不太常见，且仍在开发中，其中经过自动纤维放置 (AFP) 或自动铺带 (ATL) 将切带（丝束）放置在工具上。在该系统中，带头处的高强度激光、热气体或火焰将树脂加热至凝结温度以软化树脂，同时末端执行器施加压力以加固层。最终，这样的系统将在原地中止全面整合，但仍在开发中以供示范。目前，需求进一步固结（高压灭菌或相似处置）以抵达孔隙率目的。
Porcher Industries（法国 Eclose-Badinières，法国）的全球和国防业务部门担任人 Pierre-Yves Quéfélec 特地从事热塑性胶带的 AFP，他说该公司与机械制造商 Coriolis Composites（法国 Queven）协作，目的是孔隙率 <0.5%。“这依旧需求热压罐，”他说，“但我们曾经开端经过烘箱固化抵达这一水平，细致取决于 AFP 的质量。热塑性塑料的高粘度是一个应战，浸渍的平均性和分歧性也是一个应战。” 固然目前尚未被普遍运用，但完成 <0.5% 孔隙率目的的最有出路的工艺可能是连续紧缩成型（CCM-Continuous Compression Molding，见图 4）。在这里，连续的胶带经过成型工具，加热和成型资料，并有效地构成一系列外形，包含 T、C、H、帽形和欧米茄型材等。该工艺关于商用飞机的纵梁和框架的制造具有特别的前景。
如前所述，热压罐固化是一种选择，对某些人来说是必要的，以确保最小的孔隙率。Offringa 指出，Fokker 更喜欢热压罐，由于它有助于树脂流经纤维，并有助于坚持过程控制和分歧的零件质量。在热压罐中固化热塑性部件所需的时间通常为 3-4 小时，明显少于固化和固化热固性资料所需的时间。 Solvay 的 Pratte 表示，关于目前运用的大多数热塑性塑料工艺而言，完成孔隙率目的并不艰难。“时间和温度消弭了大部分空隙，”他说。独一艰难的过程是原位 ATL/AFP，由于时间尺度——在温度下施加压力和稳定胶带所破费的时间——是有限的。“这里的关键点与其说是孔隙率，不如说是胶带中聚合物纤维的浸渍。你可能在胶带中有一些孔隙，但你不能有干纤维，由于原位工艺时间尺度和条件无法弥补这一点。” 优势 普通来说，热塑性塑料，特别是 PEEK 和 PEKK，很难让人不喜欢。如前所述，它们具有与环氧树脂相似的机械性能特征，但通常比环氧树脂更坚韧。此外，它们也不会放热，并且十分耐腐蚀、耐磨和防火。 热塑性塑料还避免了热固性预浸料的存储和出库时间限制——思索到冷冻机投资的费用，以及管理预浸料有效期以肯定何时运用哪卷预浸料的任务，这不是一件小事。事实上，处置/回收过时资料的成本会大大增加运用热固性预浸料制造零件的成本。 此外，由于热塑性复合资料不会固化和交联，Buck 指出，“热塑性复合资料能够重新凝结/重新加工”。这使得它们相对容易回收。索尔维的 Pratte 指出。“回收是汽车行业的一大推进力，由于汽车的回收量要大得多，而且经济上更具应战性，”。“假如你不能回收资料，那将成为采用的障碍。” 固然这对汽车制造商尤为重要，但随着飞机原始设备制造商（OEM）也在思索生命周期管理 (LCM-Lifecycle Managemen) 和产品报废问题，回收也成为航空复合资料制造中越来越重要的思索要素。 热塑性塑料还能够以热固性资料无法完成的方式完成部件粘合。它们具有将零件焊接/融合在一同的潜力，这可能会在某些应用中消弭对粘合剂的需求。” GKN Aerospace Fokker 以运用热塑性塑料焊接而出名，Offringa 表示需求开发多种焊接技术，包含电阻焊接、感应焊接和传导焊接。Porcher 的 Quéfélec 指出 AFP/ATL 是一种连续焊接的方式，据报道，他的许多客户都希望运用焊接将较小的热塑性塑料部件衔接到较大的结构中。 随着复合资料在航空航天和汽车范畴的运用增加，对自动化的需求将会增加。这也是热塑性胶带的真正机遇。“在我看来，这是热塑性塑料大放异彩的范畴，”Buck说。 缺陷（也是机遇） 固然热塑性胶带具有一切优点，但它缺乏热固性胶带的成熟度，因而存在一些应战。分切和格式化热固性和热塑性胶带的Web Industries（美国马萨诸塞州马尔堡）看到了这些应战。Web 的研讨和技术总监 Grand Hou 说，热塑性树脂由于其韧性，更难切开并满足公差请求。他说，这种资料也有弹性，因而与热固性资料相比，它需求不同的缠绕方式和不同的缠绕控制。 Web 业务开发经理 Jim Powers 指出，热固性胶带的宽度可达 60 英寸/1,524 毫米，能够无缺陷地延伸数千英尺，而热塑性胶带通常最宽为 12 英寸/301毫米，在 700 英尺/17.78米内就有30个缺陷。“热固性资料阅历了相同的展开曲线，”Hou说。“我们可能比我们认识到的更接近[严重质量改进]。一旦有一个运用热塑性复合资料的大型项目，你就会看到质量的庞大进步。” 树脂带来的另一个应战是它的应用。热固性胶带通常运用薄膜方式的树脂中止预浸渍，这使得预浸机能够精确、平均地涂抹树脂，厚度变更最小。相比之下，热塑性塑料依赖于基于粉末的应用工艺，这种工艺更难控制，并且会产生富含树脂和单调的区域。这种不平均性会招致层间孔隙率问题。 Web 的 Powers 表示，溶剂型树脂常常具有更粗糙的名义并产生更多间隙，而水基系统常常更平整，厚度变更最小且名义更润滑。“较粗糙的溶剂型资料提供更大的名义积，”他指出，“但从缠绕的角度来看，水基系统运转速度更快，并提供更好的资料卷。” 另一个变量是，在室温下，热塑性胶带的特性是不寻常的边疆，这会产生一种坚硬的、偶尔不平均的胶带，容易产生缝隙和裂痕。胶带的厚度也会招致资料涟漪，这可能会招致胶带宽度不分歧。这会在胶带分切过程中招致后续问题，这依赖于分歧的胶带宽度以坚持在规格范围内。 此外，与热固性预浸料不同，后者在室温下具有粘性，有助于在铺层过程中层与层之间的粘合。而热塑性塑料是单调且无粘着性的，需求额外的措施来消弭层间滑动，例如点焊。 但是，自动化可能是热塑性胶带的粘性不一定是问题的一个范畴。Solvay 的 Pratte 说：“人们过去常常埋怨手糊板又硬又板，但在自动化设备中，太硬的板是一种优势。” 航空航天热塑性塑料复合资料制造商 ATC Manufacturing（美国爱达荷州波斯特福尔斯）的业务展开总监 David Leach 招认，热塑性胶带“通常不如热固性资料稳定，这当然是我们希望看到改进的范畴”。Leach 还指出，不平均的树脂应用会产生树脂丰厚的区域，这既有益又有害。他还回应了 Web 的观念，即热塑性胶带中缺陷之间的长度相对较短，并且分切胶带的宽度不太分歧。Leach 说，随着自动化水平的进步，这种分歧性将是强迫性的。 TenCate 的 Unger 说，高胶带完好性关于促进热塑性塑料的运用和弥补制造过程中的限制至关重要。特别是，Unger 指出 AFP/ATL，由于其逐层处置，引入了层间孔隙率的可能性。作为胶带完好性的证明，Unger 援用了 TenCate 热塑性胶带的显微照片（图 5），该照片显现了平均的层厚度和树脂平均性。他说，关键是高质量的胶带，空隙率低，是高质量复合资料快速、自动化加工的推进力。具有大量空隙的胶带将需求更长的固结周期才干消费出高质量的零件。
最后，还有成本问题。PEEK 和 PEKK 目前比它们与之竞争的环氧树脂更贵，但这种状况有望改动。Offringa 说，“假如随着在高负载主要结构中的应用增加，它像预期的那样强劲增长，成本估量会随着体量的增加而降落。” ATC 的 Leach 对此表示赞同，并指出固然热塑性胶带曾经运用了几十年，但体量依旧很小。“原始设备制造商在复合资料方面具有丰厚的阅历，并且倾向于运用胶带，”他说。“从热固性资料转变为热塑性资料的主要驱动要素是成本。我们怎样才干让热塑性零件变得担负得起？” Porcher 的 Quéfélec 对此表示赞同。“整个价值链……必须重新应战商业案例。与热固性资料相比，高成本会损伤竞争力。技术准备水平（TRL-technological readiness level ） 落后，但正在踌躇不前。” Barrday 的 Buck 简单地说：“热塑性塑料行业能够运用具有 PEKK/PEEK 性能的聚合物，但价钱与 PPS 相当。” 向前 这些真实和潜在的缺陷——缺乏粘性、间隙、涟漪、不平均——构成了下游应战，固然这些缺陷是能够控制的，但使热塑性胶带比竞争性替代品更难加工。这反过来又减缓了它们在高性能应用程序中的采用。但是，它们提供的优势是真实存在的，这刺激了对技术和工艺研发的大量投资，以辅佐将这种资料推向更大的结构部件。“在过去二十年里，我们完成了基本的创新，”TenCate 的 Unger 说。“未来的主要创新将是工艺和自动化的成熟以及零件制造基础设备的扩展。” 在制造方面，由 GKN Aerospace Fokker 指导的 Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure (TAPAS) 财团正在为空客开发热塑性飞机机身结构和热塑性扭矩箱（用于尾翼和机翼结构）。正在评价的是一种 TenCate UD 胶带，它包含 Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德）的 AS4 碳纤维和来自阿科玛（法国科隆布）的 PEKK 基体。TAPAS 工作分为两个项目，TAPAS I 和 TAPAS II，后者已接近序幕。Offringa 说，TAPAS 的工作证明了热塑性胶带的潜力，特别是在机身蒙皮、发起机挂架、小型机翼和尾翼结构方面。“资料正在被审定，工艺正在被审定。这些并不是庞大的零件自身，而是增加尺寸和体积的部件，”他说。瞻望未来，他说，“其中一家 OEM 可能会取得突破，决议真正转向更大的热塑性塑料部件。” 索尔维的 Pratte 对此表示赞同：“小零件曾经起飞，并树立了自信心和成熟度。客户开端关注更大的零件。” 为推进这一努力，索尔维和 GKN Aerospace Fokker 于 2017 年初宣布，他们将协作开发热塑性复合资料，而索尔维将成为这家航空航天制造商的首选供给商。 Fundacion para la Investigacion, Desarrollo y Applicaciones de Materiales Compuestos（FIDAMC，马德里，西班牙）也正在评价热塑性胶带在制造机翼和机身结构中的应用，经过高压釜外原位纤维铺设。FIDAMC 的高级复合资料专家费尔南多·罗德里格斯·伦斯 (Fernando Rodríguez Lence) 表示，胶带质量是一个主要限制要素，迫使较慢的铺设速度以弥补胶带缺陷并完成整合目的：“我置信我们的资料供给商将进步胶带质量，进步性能以抵达热压罐固化部件相似水平，并处置后处置的需求。” 假如像人们普遍以为的那样，波音或空客决议运用热塑性胶带制造主要结构，则很可能会疾速部署资源来处置胶带质量问题。事实上，在过去 10 到 15 年中，大部分胶带的开发都是由资料供给商和制造商发起和资助的。这样的工作很有希望，但也很有限。OEM 承诺带来的努力和资金将大大改动热塑性胶带的前景。 热塑性胶带：碳纤维上浆 在其历史上的大部分时间里，热塑性胶带中的碳纤维都没有定型，但随着预浸料为不同的工艺和应用优化资料，这种状况正在发作变更。热塑性浆料的设计不只能够改善纤维处置才干，还能够改善纤维/树脂的附着力。也就是说，树脂和纤维的成分和性能范围很广，因而，依据纤维、树脂和应用的组合，上浆选项也有很大差别。此外，一些树脂与胶剂不相容。在过去四年中，Toho Tenax America（美国田纳西州罗克伍德）、SGL 集团（德国威斯巴登）和施胶专家Michelman（美国俄亥俄州辛辛那提）推出了针对某些热塑性塑料优化的碳纤维浆料。其他预浸料和胶带供给商也提供热塑性塑料上浆选项，但没有透露细致细节。上浆有两个目的。一是纤维与树脂的附着力。另一个是当纤维被切割或者经过编织或编织机械时，减少纤维摩擦（减少长丝起毛或磨损/断裂）。 索尔维复合资料公司复合资料研讨与创新小组技术研讨员(Alpharetta, GA, US) Jim Pratte说，“上浆有时是减少纤维摩擦和破损的必要伎俩。你们的大部分上浆开发都试图在性能和‘可运转性’之间找到最佳均衡，即无扩散、断裂、间隙等。” 预浸料制造商 Barrday Corp.（美国马萨诸塞州米尔伯里）的热塑性塑料产品经理 Mike Buck 说：“上浆思索关于热塑性预浸料和粉末涂层织物很重要。从历史上看，未上浆的纤维不时是热塑性塑料的主要碳纤维方式。但是，碳纤维供给商开端开发和提供热塑性浆料。” 有人猜测通用热塑性浆料是可能的，但普遍以为这不太可能：“我以为这是一个幻想，”Pratte 说。“我以为这不会发作。当你察看聚合物的名义能时，它的范围太广，无法被一种上浆类型所顺应。” 终了语 1. 从原文的叙说中能够看出，从2018年开端，聚醚酮酮（PEKK）疾速进入民机复材行业。先是赫氏（Hexcel）与聚醚酮酮（PEKK）制造商法国阿科玛（Arkema）战略分离，研发最新的热塑性（TP）UD胶带。 接着东丽（Toray）于2018年7月收购Cetex公司，将原Cetex公司热塑性胶带中的碳纤维改用自己的碳纤维，同时在原牌号前加上“Toray”： Toray Cetex TC1225 Toray Cetex TC1000 Premium Toray Cetex TC1100 Toray Cetex TC1200 索尔维（Solvay）原本是一家老牌化学公司，它先前收购了民机复材供给商氰特（Cytec），在这种资源的优势下，索尔维推出了APC（PEKK-FC）复合资料。 2. 赫氏（Hexcel）、东丽（Toray）、 索尔维（Solvay）三家供给民机复材的公司，经过不同途径都及时推出了自己的聚醚酮酮（PEKK）复材带，这对我国有关行业的展开有着重要启示。 3. 本文依据《 I want to say two words to you: “Thermoplastic tapes” 》2018.1.29编译 原文链接： https://www.compositesworld.com/articles/i-want-to-say-two-words-to-you-thermoplastic-tapes 杨超凡 2023.2.22 杨超凡简介：飞机制造高级专家，近年专攻民机复合资料。原航空工业部首批研讨员级高级工程师，享用国务院特殊津贴。 |
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