高性能热塑性复合材料在民用航空领域中的应用

树脂基复合材料具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、可整体成型等特点，因此被广泛应用于航空航天领域。以树脂基复合材料代替金属材料可使飞机减重10%40%，而其结构设计成本也可以降低15%30%。自20 世纪80 年代起，复合材料在民用航空领域的应用逐渐增多，1980 年，复合材料在空客（Airbus）公司的A300/310 飞机上的应用仅占约8%，随后在A380 飞机上，复合材料的用量提升至约占结构重量的25%，而目前的A350XWB 飞机上的复合材料用量甚至已提高到约52%。 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。 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。