熱塑性復合材料增材制造工藝與裝備研究進展

謝 為

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

在航空結構設計領域，復合材料以其特有的高比強度、高比剛度、輕質高效等特性，與鈦合金、鋁合金、鋼一起成為現代飛機設計的四大結構材料[1]。近40 年來，在設計、材料和制造三方面的努力下，先進復合材料結構成功研制并批量應用，其應用比例成為現代飛機先進性的標志之一。開發針對復合材料的先進設計方法與制造工藝技術已成為新一代飛機研制的關鍵[2-3]。

熱塑性復合材料（fiber reinforced thermoplastics，FRTP）是以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等材料作為增強體的各種熱塑性樹脂的總稱，可分為連續纖維增強與短切纖維增強兩類[4]。典型的熱塑性樹脂基體包括尼龍（PA）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚氨酯（TPU）等。熱塑性復合材料具有許多優于熱固性復合材料的綜合性能[5]。熱塑性復合材料最突出的優點是較高的韌性與損傷容限，以及良好的抗沖擊性能，有利于克服熱固性樹脂基復合材料層間韌性不足和沖擊分層的缺點，可應用于服役環境較為苛刻、承載能力要求高、容易受到沖擊載荷的部位[6]。熱塑性復合材料的耐水性也高于熱固性復合材料，可在潮濕環境下使用。一些高性能熱塑性復合材料（如纖維增強PEI）的長期使用溫度可達250 ℃以上，具有良好的耐熱性與抗蠕變性能[7]。此外，熱塑性預浸料對于存放環境與時間沒有限制，在加工過程中不發生化學反應，結構件可以直接熔融焊接及修復，廢料可以回收利用，因此具有降低結構件制造和維護成本的潛力[8]。……