热塑性复合材料应用开发与发展趋势──JEC 2024观展侧记

2024年3月5-7日，JEC复合材料展览会在法国巴黎北郊维勒班展览中心举行。展会吸引了49个国家及地区近1300家复合材料行业参展商共同参加，3万余名复合材料和先进材料领域的专家、学者、科学家和研发人员等参观了本次复合材料工业界的盛会。

JEC复合材料展创办于1963年，作为全球最大的复合材料展，距今已有60余年。今年德国有226家企业参展，法国和中国并列第二，各有186家企业参展，第四第五分别是美国116家和意大利103家。本次展会关注最多的复合材料行业为汽车制造、航空制造和建筑材料，展品多为汽车、航空、航天、船舶游艇、建筑材料、轨道交通、风力发电、休闲产品、管道和电力等领域的复合材料制品、原材料、成型工艺与设备、力学性能与无损检测设备、切割与加工装备等。

热塑性复合材料是以热塑性聚合物作为基体相，并与高性能增强材料相结合制备而得的复合材料，目前已经在航空航天、汽车工业、海上运输等相关行业中起着举足轻重的作用。热塑性复合材料兼具高韧性、化学稳定性和易于加工等独特优势，它们在加热时具有软化和反复固结的能力，可满足各类复杂零部件的高效生产需求，并允许其重塑和回收。

由于全球快速城市化和低碳排放目标的提出，对轻量化产品的需求不断增长，正在推动热塑性复合材料市场增长。在JEC World 2024国际复合材料展上，33项入围JEC复合材料创新奖决赛的成果中有超过20项新材料、新技术不约而同地强调了绿色低排放、循环可回收的未来复合材料发展模式。热塑性复合材料深度融入于这些项目中，围绕其开发的相关零部件产品囊括了飞行器蒙皮及舱板、汽车车门及车身结构，并由此衍生了原位固结、反应性拉挤成型技术等各类新兴成型技术。市场需求是推动热塑性复合材料不断发展的根本动力，热塑性复合材料的市场逐渐由航空航天向汽车等民用行业领域过渡。

JEC复合材料展上呈现了热塑性复合材料在民航工业领域的前沿应用，法国Sogeclair Equipment公司推出了一款碳纤维增强聚苯硫醚热塑性复合材料飞行器舱门，如图1所示，其具有复杂的冲压形状，并在其制造过程中采用了先进的热塑性复合材料感应焊接技术，在显著减轻结构重量的同时缩短了其装配时间。

图1  碳纤维/聚苯硫醚热塑性复合材料航空舱门

美国Spirit AeroSystems公司利用自动铺放技术、冲压成型技术与感应焊接技术开发了ASPERA热塑性复合材料商用飞机机舱（见图2）。通过无紧固件的组装形式最大限度减少重量、成本和返工次数，同时结合热塑性复合材料快速制造工艺，助力实现单通道商用飞机高速生产。所有制造过程中使用的热塑性复合材料零部件可以在过程中返工与更换，并在其服役寿命结束时回收利用。

图2  ASPERA焊接热塑性复合材料演示

位于西班牙的Airbus DS - Defence & Space部门针对运输机外翼蒙皮罩，提出了热塑性复合材料机翼上盖原位固结方案，如图3所示。该方案通过一步原位固结碳纤维增强PEEK热塑性复合材料，实现低能耗加工和可循环的报废回收。该项外翼蒙皮制造技术水平经验证已达到TRL5成熟度，具备在相关环境下生产零部件原型的能力。

图3  Airbus一次性原位固结机翼上盖

Daher及其荷兰子公司KVE在展会上也展示了他们为下一代飞机开发的最新成果，一款长度超过2米的大型扭力箱（见图4）。热塑性复合材料的应用及其连接技术的发展除了减轻结构重量，消除紧固元件，还大幅度节省了其生产和装配时间，这预示着未来商用飞机的机翼部件正在向更轻、更高效、更环保方向发展。

图4  全尺寸扭力箱（右侧红线为焊接区域）

热塑性复合材料在飞机机身中最具代表性的应用集成即是Clean Sky2项目孵化的多功能演示机身（MFFD），如图5所示。项目评估了焊接热塑性复合材料在完全集成的机身结构中的应用可行性。围绕热塑性复合材料开发的自动铺带原位固结技术、激光原位连接与连续超声波焊接技术为实现月产60-100架飞机，机身重量减轻10%提供了实践验证。

图5  Clean Sky项目多功能演示机身（MFFD）

自JEC 2019展会上Fokker公司首次展出的湾流公务机热塑性机身面板，到近期的JEC 2024上以Daher、Hexcel、Airbus、Spirit AeroSystems、Sogeclair Equipment等公司为代表的热塑性复合材料机身一级构件的争相登场，这预示着热塑性复合材料二级构件在民航客机中的应用已经成熟，未来航空结构中热塑性复合材料的应用特征是逐步由二级结构向大尺寸、复杂一级结构过渡，其核心就是开发大型构件的原位制造与连接技术，以实现结构减重并缩短制造周期。

热塑性复合材料在民用行业的应用开发主要集中在在汽车工业方面，美国特拉华大学复合材料中心联合Envalior恩骅力公司、克莱姆森大学和美国本田开发与制造公司设计了世界上第一款超轻碳纤维增强热塑性复合材料车门（见图6），并由此入围JEC 2024复合材料创新奖决赛。这一热塑性复合材料结构相较于钢材减重45%，零件整合率提升52%，燃油效率提升31.5%，且具备100%可再加工能力。Envalior提供的Tepex®碳纤维/聚酰胺层压板产品使得部件的制造过程近似金属冲压过程，具有连续纤维增强的热塑性Tepex预制板一方面显著提升了制件的力学性能。同时，连续纤维织物本身具备一定的变形能力，使其在无需预铺贴的情况下即可实现复杂形状车身零部件的模压成型，满足其高效生产节拍需求。

图6  世界上第一款超轻碳纤维增强热塑性复合材料车门

尽管如此，碳纤维复合材料的应用仍然在探索材料轻量化与经济性两者之间的平衡，为此Envalior、Weav3D等公司面向日益崛起的新能源汽车市场相继开发了具有更高性价比的汽车车身结构用GF/PA6片材产品。以Tepex dynalite产品为例，其有效助力了理想汽车L9、L8、L7车型电池底护板减重30%，如图7所示。产品根据传统模压与注塑成型工艺，开发了由连续纤维与长纤维混杂增强的车身嵌件一体化包覆成型技术，为推广热塑性复合材料在汽车领域的应用开辟了全新的技术路线。

车身底板部件热塑性复合材料夹层结构的开发应用也为商用车市场带来了许多性能优势。德国的戴姆勒卡车股份公司联合弗劳恩霍夫材料与系统微观结构研究所生产了用于卡车内饰的储物箱翻盖，如图8所示。该翻盖由热塑性蜂窝芯和纤维增强热塑性层压板的面板层组成，相比于金属部件可减轻高达70%的重量，且部件具有A级表面。此外，项目开发过程中还测试了将结构与金属覆盖层层压在一起，也取得了进展。该项热塑性复合材料夹层成型技术被认为适用于各种对成本和重量敏感领域的应用。

图8  热塑性复合材料夹层结构储物箱翻盖

德国Röchling Automotive SE公司提出的反应性热塑性拉挤成型技术是JEC 2024复合材料创新奖—汽车和道路运输制造技术类别的最终获奖者。这项技术利用更廉价的原材料，通过反应性PA6树脂浸渍连续玻璃纤维实现GF/PA6型材的拉挤，降低型材的生产周期和成本，产品具有更好的经济效益和力学性能。同时，由于这项技术在拉挤过程中对聚酰胺树脂粘度进行了调整降低，使其可以轻松制造纤维体积分数超过70%的热塑性复合材料构件（见图9）。结合热塑性材料可反复加工的特性，原位拉挤后的型材直接被作为半成品集成到模腔中完成最终制件的成型，并且因为与注塑件采用了相同体系的PA6树脂，使得长期服役后的集成化零部件无需拆解即可整体回收。

图9  反应性热塑性拉挤成型技术

德国ElringKlinger公司采用预浸料热铺贴技术，并基于负载路径的设计允许将镁、铝或钢制成的其他金属部件插入到复合材料汽车结构中承受高应力的区域。将金属型材的内高压成型和热塑性复合材料注射成型集成在单台设备上，解决了驾驶前端托架和前端适配器的集成制造，如图10所示。此外，恩骅力公司、丰田汽车公司等单位均在JEC 2024上展出了其金属/复合材料嵌件产品。金属/复合材料超混杂材料也为热塑性复合材料在汽车结构件中的应用提供了全新思路。

油气运输是热塑性复合材料在民用市场开发应用的重要组成部分。石油和天然气行业必须以可承受的价格开发海底线缆运输系统，以满足全球日益增长的燃料运输需求。Syensqo公司推出了PVDF、PPS、PEEK等热塑性复合材料柔性管材替代金属管的方案，如图11所示，可满足海上运输系统在极端温度和高压环境下的稳定服役需求，具有极低的腐蚀性和渗透性。与钢相比，热塑性复合材料管具备轻量化优势，且更易于安装，稳定服役寿命超过20年。

热塑性复合材料在民用市场的开发应用还体现在体育行业。东丽碳纤维欧洲公司在JEC 2024上推出了面向体育行业的Cetex TC915 PA+预浸料，用于生产球拍等体育用品（见图12）；澳大利亚阳光海岸造船公司推出了70英尺全碳纤维双体船；Swancor和Massload共同开发了世界上第一个完全由100%回收材料制成的自行车瓶架，这款创新产品将Swancor50%的再生碳纤维与50%的再生PA6托盘混合在一起，通过注塑工艺制造，回收材料的引入使得制造过程的碳排放大幅减少97%。未来，热塑性复合材料在体育等民用市场将持续围绕轻量化、可回收、低碳排放的目标持续开展应用技术研发。

图12  东丽碳纤维欧洲公司为HEAD开发的碳纤维原型球拍

航空工业领域的自动铺放-原位成型为复杂零部件的一体化快速制造给出了解决方案，但是面向汽车工业、油气运输以及体育等需要低成本、高效率生产的市场，这些基于连续纤维单向预浸带的方案仍然道阻且长。长期以来，针对连续纤维增强复合材料，兼具时效性与制件稳定性的成型工艺也一直是困扰其在汽车零部件中大批量应用的核心技术难题。本次JEC展会中恩骅力、恒瑞、摩通等企业展出的热塑性复合材料制件表明以连续纤维织物作为增强体是解决上述技术难题的重要途径，未来在汽车工业等民用市场中将会见到更多连续纤维织物增强热塑性复合材料大型构件的问世。除了复合材料增强体材料形式的变化，面向热塑性复合材料及其混杂复合材料，提出高效、低成本的成型技术是推广其应用的关键，而实现这一目标的技术途径需要结合传统成型工艺，开发复合成型技术，以适应高度集成化的复杂零部件生产需求。

4.1 全球热塑性复合材料市场分析

根据美国Market Research Future、Straits Research等机构的市场分析报告（见图13），2021年基于消费量的全球热塑性复合材料市场规模已达6841.5千吨（160.2亿美元），预计热塑性复合材料行业将从2022年的7318.9千吨增长到2031年的14123.6千吨，复合年增长率（CAGR）超过6.2%。

区域分析结果显示，亚太地区热塑性复合材料市场占全球份额的41.93%，中国作为全球最大的电子产品生产国占据了主要份额，应用市场主要为智能电器及电子产品。由于对可持续产品的需求不断增长，加之汽车和飞机部件对热塑性复合材料依赖性的提升，欧洲热塑性复合材料市场占据26.32%的市场份额，德国在其中占有最大份额，法国热塑性复合材料市场是欧洲地区增长最快的市场。北美地区的汽车和航空航天投资不断增加，其热塑性复合材料市场占据全球第三大市场份额。此外，玻璃纤维热塑性复合材料将以6.22%的复合年增长率增长，在各类纤维增强体中保持领先优势；在热塑性树脂方面，聚醚醚酮（PEEK）的复合年增长率最高，将达到6.12%，预示着高端热塑性复合材料正逐步发力并快速崛起。

目前，全球热塑性复合材料市场参与者正在研发上投入大量资金以增加其产品线，形成以巴斯夫、塞拉尼斯、恩骅力（朗盛与帝斯曼合并）、沙特基础工业公司、杜邦、东丽、帝人、三菱、阿科玛、西格里等公司为主导的竞争格局。

图13  热塑性复合材料市场发展预测

4.2 热塑性复合材料在航空市场的发展趋势

2012年，热塑性复合材料被首次利用于制造湾流G650飞机升降舵及垂直尾舵等关键控制面，目前已超过600架湾流G650飞机在美国威斯康星州的阿普尔顿内装工厂完成交付。热塑性复合材料在航空工业中的应用正在成为其增长的关键动力。根据spirit航空系统公司的预测，除了传统飞机，无人驾驶飞机和城市空中交通将成为其应用增长的两个关键领域。无人驾驶飞机与城市空中交通在制造和生产飞机的方式上需要考量成本效益，两个领域都需要轻量化、高性能且低成本的飞机，并且这些飞机部件需易于生产且非常耐用。

截至2020年，空客与波音的积压订单已经分别达到7198架与5745架，而伴随全球航空业在疫情期间受到的重创，空客公司的积压订单已经突破8000架。飞机行业预测，到2040年，全球航空公司将需要超过35000架新飞机，平均每年超过2000架，结合现有商用飞机每年约1000架的交付能力，满足这种市场水平迫切需要新方法和新技术。先进热塑性复合材料具有重量轻、保质期长、吸湿性低、热稳定性和耐化学性好、韧性和损伤容限高、耐溶剂性、介电常数低等优点。凭借这些优势特性，先进热塑性复合材料有望加快飞机零件开发速度并显著缩短飞机制造周期。

尽管热塑性复合材料在加热到热塑性基体的熔点以上，无需分子结构级别的聚合物交联，只需要冷却固结即可完成制件生产，但是想要获得满足航空市场所需的热塑性复合材料制件质量与生产效率，还需要突破相关技术。

首先，航空级的热塑性预浸带孔隙率已经非常低，普遍＜0.5%，但针对飞机关键控制面，为了降低自动铺带后制件的孔隙率，通常的做法是将部件放入热压罐中以确保完全固结与安全性。热压罐工艺的使用降低了热塑性复合材料的生产效率与价格优势。其次，热塑性复合材料的焊接技术很早便通过了美国联邦航空局（FAA）认证，并在空客A300系列的前缘结构中得到普遍应用。一旦大尺寸飞机部件的原位固结技术成熟，必须找到与之匹配的部件装配技术，由此将带来一系列热塑性复合材料与金属、热固性复合材料部件的连接问题。因此，正如JEC 2024所呈现的，突破自动铺带过程的原位固结技术，获得满足航空市场所需的热塑性复合材料制件质量，发挥热塑性复合材料可焊接的优势特性开发连续化、自动化连接技术，将成为推动热塑性复合材料在航空领域中应用的关键。

4.3热塑性复合材料在汽车等民用市场的发展趋势

热塑性复合材料轻量化部件在汽车领域的应用可以降低二氧化碳的排放量并提升整车的燃油经济性，显著改善车辆的长期驾驶稳定性。根据欧洲铝协数据，当汽车质量降低10%时，能源使用效率将提高6%~8%，百公里排放污染物降低10%；而对于新能源汽车，100kg的质量减小相应可以增加其续航能力约6%~11%。汽车行业对轻量化产品的日益关注是推动热塑性复合材料全球市场增长的主要因素。我国新能源汽车产业在《新能源汽车产业发展规划》和《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的指导下，积极应对整车轻量化挑战。目标到2035年燃油乘用车整车轻量化系数降低25%，纯电动乘用车整车轻量化系数降低35%。

根据国家知识产权局公开信息，在2020年之前，热塑性复合材料专利布局技术层面主要聚焦热塑性复合材料结构与成型方法，应用方面多为汽车内饰、隔音材料，发动机和传动轴等耐热结构件；在2020年之后，除了上述技术和应用外，新能源汽车相关的专利布局被广泛关注，热塑性复合材料装备以及增材制造工艺也较为突出。目前，热塑性复合材料在汽车领域的应用已经完成了由内外饰件向结构件的过渡，并作为汽车重要的组成部分，对其安全性、性能等方面产生重要的影响，典型的应用案例如车门、引擎盖下部件、车顶部件、车门模块、前端模块、电池盒、底护板等，广泛提升了热塑性复合材料的市场需求。

面向日益增长的汽车工业复合材料市场，想要拓宽热塑性复合材料在汽车制造中的应用仍存在技术难点。首先，面向汽车关键结构件的承载需求，采用连续纤维增强复合材料替代轻质GMT以及各类短纤维、长纤维增强热塑性复合材料势在必行，但是其制造过程的废品率高，回收后的纤维无法继续作为连续纤维使用。其次，热塑性聚合物基体的相容性相比于热固性聚合物较差，使用其制造的内外饰件、结构件与金属车身的连接问题是制约其应用的又一关键问题，显著影响汽车的质量和安全性。最后，为了获得汽车行业认可的A级表面，热塑性复合材料内外饰件还需解决车漆的附着问题，对制造过程的清洁无尘提出了更高要求。结合JEC 2024所呈现的前沿技术，通过原材料与成型装备的合理设计，面向具体部件研发连续纤维增强热塑性复合材料半成品模压片材以及与之配套的经济效益更高的成型技术，将有助于实现降本增效，提升生产效率与材料利用率；而克服热塑性复合材料连接与车漆涂装难题的核心是提出新的界面处理技术，随着等离子处理、激光处理等表界面技术的研发愈加深入，热塑性复合材料在汽车市场的应用也将愈加成熟与广泛。