摘要：航空航天工业长期以来一直在追求以最小的重量提供高强度和刚度的材料，以提高飞机性能和燃油效率。这种追求导致了传统金属合金逐渐被聚合物基复合材料所取代，主要是那些使用热固性树脂的复合材料。具有里程碑意义的飞机项目，如波音787梦想飞机和空客A350 XWB，就是这
超越金属和热固性材料的进化
航空航天工业长期以来一直在追求以最小的重量提供高强度和刚度的材料，以提高飞机性能和燃油效率。这种追求导致了传统金属合金逐渐被聚合物基复合材料所取代，主要是那些使用热固性树脂的复合材料。具有里程碑意义的飞机项目，如波音787梦想飞机和空客A350 XWB，就是这一演变的例证，实现了机身由重量超过50%的复合材料组成。与金属前身相比，这些热固性复合材料，通常是碳纤维增强聚合物（CFRP），显著减轻了重量。然而，它们的制造过程通常涉及复杂的化学固化周期，通常需要大型、高能耗的热压罐和漫长的加工时间，这对实现现代商用飞机项目所需的高生产率构成了挑战。
热塑性塑料（TPC-Thermoplastic）的出现
为了应对热固性塑料的局限性和对提高效率和性能的不断需求，热塑性复合材料（TPC）已成为航空结构的下一代引人注目的材料解决方案。热塑性塑料提供了一种独特的性能组合，可以解决关键的行业驱动因素：显著加快制造周期的潜力、增强的材料韧性和损伤容限、与可持续发展目标相一致的固有可回收性，以及至关重要的是使用焊接技术连接的能力。最初仅限于较小的非关键部件，现在正积极开发和实施热塑性材料，用于更大、更复杂和结构要求更高的应用，这标志着航空结构设计和制造的潜在范式转变。
TPCs的推动不仅仅反映了材料替代；它体现了制造哲学的根本转变。航空航天业面临着越来越大的压力，需要提高生产率，特别是大批量单通道飞机的生产率，并为城市空中交通（UAM-Urban Air Mobility）和电动垂直起降（eVTOL-Electric Vertical Takeoff and Landing）飞机等新兴市场实现快速、经济高效的结构制造。TPC具有快速、热压罐外加工、高度自动化和焊接集成装配的潜力，被视为这些未来制造模式的关键推动因素。例如，多功能机身演示器（MFFD-Multi-Functional Fuselage Demonstrator ）项目明确针对通过TPC技术实现的高速生产能力（每月60-100架飞机）。
焊接优势
也许热塑性塑料在航空结构中最具变革性的特征是它们的可焊性。热固性塑料不同，热固性塑料在固化过程中会发生不可逆的化学变化，热塑性材料可以通过加热反复软化和再固结。这允许通过熔融粘合或焊接来连接组件，通过在压力下在界面处熔化和熔融聚合物基质来创建整体结构。这种能力为机械紧固（铆接或螺栓连接）和粘合剂粘合等传统连接方法提供了一种有吸引力的替代方案。焊接可以消除数千个紧固件，减少零件数量，减轻重量，简化组装，并可能降低制造成本。
此外，焊接TPC的能力是一个强大的设计推动者。通过消除紧固件施加的约束（例如边缘距离要求、孔周围的应力集中）和粘合剂粘合的复杂性（表面处理、固化周期），设计人员可以概念化更集成、结构更高效的组件。这可能涉及将之前由紧固件连接的多个零件合并成一个焊接的TPC组件，从而实现更轻的结构和可能更光滑的空气动力学表面，没有铆钉头。
行业领导者
一些航空航天制造商和供应商处于TPC开发和实施的最前沿。本报告重点关注的Daher和川崎重工（KHI）等公司正在积极投资TPC材料、加工技术和焊接能力。其他知名企业包括柯林斯航空航天公司（收购了荷兰热塑性复合材料公司）、Spirit AeroSystems、GKN Aerospace（Fokker）以及空客和波音等主要原始设备制造商，他们正在推动需求并在关键开发项目上进行合作。这一进展得到了更广泛的材料供应商、设备制造商、研究机构（如DLR、NLR、代尔夫特理工大学）以及欧洲清洁天空/清洁航空计划和美国航空航天材料制造中心（AAMC）等合作倡议的支持。
报告路线图
本报告全面分析了热塑性复合材料和相关焊接技术在塑造下一代飞机结构中的作用。它首先定义了热塑性塑料，并将其性能与传统热固性塑料进行了对比。然后，它深入研究了主要的焊接技术——超声波、感应和电阻焊接——详细介绍了它们的机制、优点、局限性以及在航空航天中的应用。随后，它考察了Daher和川崎重工（KHI）TPCs和焊接的具体策略、发展和实施。最后，该报告分析了影响这些先进材料和工艺在航空航天领域采用的更广泛的市场动态、关键驱动因素、挑战和未来趋势。
二、了解热塑性复合材料（TPC）：材料优势
定义热塑性塑料与热固性塑料
热塑性聚合物和热固性聚合物之间的根本区别在于它们的分子结构和对热的反应。热塑性塑料由长的、线性的或分支的聚合物链组成，这些聚合物链由次级分子间力（如范德华键）连接在一起。当加热到高于其玻璃化转变温度（Tg) 或熔化温度（Tm),这些链可以相对移动，导致材料软化并最终融化成粘性液体。冷却后，链固结，使材料恢复固态。这个过程是一种物理转变，是完全可逆的，这意味着热塑性塑料可以反复加热、重塑和冷却，而不会改变其基本化学结构。
相比之下，热固性材料从液体树脂或含有反应性单体或低聚物的低粘度材料开始。在固化过程中，通常由热量、催化剂或辐射引发，这些分子发生不可逆的化学反应，在聚合物链之间形成强而永久的共价交联。这形成了一个刚性的三维网络结构。热固性材料一旦固化，就不能通过再加热来重新熔化或重塑形状；过热会导致降解而不是软化。想想像黄油这样的热塑性塑料，它可以熔化和再固化，而热固性塑料就像蛋糕面糊，一旦烘烤，就不能恢复到液态。
TPC的主要航空航天优势
热塑性塑料的独特特性转化为航空航天应用的几个引人注目的优势，推动了它们在传统金属和现有热固性复合材料中的日益普及：
减轻重量：热塑性塑料复合材料具有显著的减重潜力，这是航空航天领域提高燃油效率和减少排放的首要关注点。与金属解决方案相比，TPCs可以将结构重量减轻50%，与热固性复合材料解决方案相比可以减轻20%。这种减轻直接影响运营成本和环境足迹。制造速度和效率：TPC加工依赖于熔化和固结的物理原理，而不是耗时的化学固化反应。这使得制造周期时间大大缩短，从热固性塑料的数小时缩短到TPC的数分钟，可能缩短80%或更多。此外，TPC通常使用冲压成型、压缩成型或自动放置原位固结等技术在热压罐外（OoA- out-of-autoclave ）加工，消除了许多高性能热固性塑料所需的大型热压罐的瓶颈和高资本/能源成本。这大大提高了生产率，对未来的飞机项目至关重要。可焊性：重新熔化热塑性塑料的能力使组件能够通过熔焊或焊接连接。这消除了对机械紧固件（铆钉、螺栓）或粘合剂的需求，减少了零件数量、装配时间和结构重量，同时可能创造出更坚固、更完整的接头。抗冲击性和韧性：热塑性树脂通常天生更坚韧，比脆性热固性基体表现出更高的断裂应变。这意味着热塑性塑料具有优异的抗冲击性和损伤容限，这是承受潜在冲击或疲劳载荷的耐用航空航天部件的关键性能。可回收性和可持续性：由于成型过程是可逆的，TPC制造废料可以重新熔化和重整，报废部件可以回收，有助于实现更循环的经济，并与日益增长的环境可持续性目标保持一致。与某些热固性工艺相比，TPC加工也会产生最少的挥发性有机化合物（VOC-volatile organic compounds ）或危险废物。储存和保质期：TPC预浸料（预浸渍纤维）不需要化学反应来固化，在环境温度下是稳定的。这赋予了它们几乎无限的保质期，而不需要与许多热固性预浸料相关的昂贵的冷藏和复杂的物流管理。耐化学性和环境性：高性能热塑性塑料对航空航天流体、化学品和吸湿性具有良好的抵抗力。与热固性塑料相比，它们的吸湿性较低（例如，环氧树脂为~0.1%对1-2%），导致在热/湿条件下机械性能的退化较小。它们还具有良好的抗紫外线辐射和一般环境因素的能力，尽管一些消息来源对某些类型的潜在紫外线降解提出了警告。潜在的劣势和挑战
尽管TPCs具有众多优势，但它们也带来了需要解决的挑战，以便更广泛地采用：
更高的材料成本：航空航天级热塑性树脂，如PEEK、PEKK和PEI，通常比传统的环氧基热固性树脂贵得多。这种更高的初始材料成本可能是一个障碍，特别是对于成本敏感的应用。然而，有必要从整体上看待成本效益。虽然原材料价格较高，但当考虑到大幅缩短循环时间、消除能源密集型热压罐固结、高自动化水平的潜力、通过焊接简化装配（降低紧固件成本和劳动力）以及由于可回收性和无限保质期而使浪费最小化等因素时，热塑性塑料的总制造成本可能会变得有竞争力，甚至更低。因此，随着产量的增加和高效自动化制造工艺的实施，热塑性塑料的经济可行性显著提高。更高的加工温度：与常见的航空航天热固性材料的固化温度（120-180°C）相比，热塑性塑料需要更高的处理温度（通常为300-400°C）。这需要对高温工具（可能更昂贵和复杂）、专用加热系统（如激光器、AFP/ATL的高功率红外发射器）和加工过程中复杂的热管理进行投资。因此，采用热塑性复合材料与开发和获取兼容的高温制造基础设施和专业知识有着内在的联系。高熔体粘度：在熔融状态下，热塑性塑料的粘度明显高于未固化的热固性树脂。这种高粘度使得传统的低压热固性加工方法，如树脂传递模塑（RTM- resin transfer molding ）或真空辅助RTM（VARTM- vacuum-assisted RTM），对TPCs来说变得困难或不切实际。因此，TPC制造在很大程度上依赖于可以在压力下处理高粘度材料的工艺，如冲压成型、压缩成型、自动铺丝（AFP- automated fiber placement ）和自动铺带（ATL-automated tape laying ）。蠕变敏感性：由于热塑性塑料链不是永久交联的，与高度交联的热固性塑料相比，它们可能表现出更大的蠕变敏感性（在持续载荷下随时间变形），特别是在高温下。然而，航空航天中使用的高性能半结晶热塑性复合材料的设计目的是在其工作温度范围内尽量减少蠕变。较低的耐热性（历史/商品等级）：虽然商品热塑性塑料可能在相对较低的温度下软化，但用于要求苛刻的航空航天应用的高性能工程热塑性材料（PEEK、PEKK、PEI、PPS）具有优异的热稳定性和高连续使用温度，通常超过标准环氧树脂。例如，PPS复合材料已被用于在100°C以上运行的A340/A380机翼前缘。标准化：TPC制造工艺、测试协议和材料规格缺乏既定的行业标准被认为是一个制约因素，与更成熟的热固性领域相比，这可能会减缓资格认证和采用。通用航空航天TPC材料
特定TPC材料的选择取决于应用要求、平衡性能、加工性能和成本。
树脂：航空航天中使用的最常见的高性能热塑性树脂包括：
聚醚醚酮（PEEK）：以优异的机械性能、耐高温性、耐化学性和耐磨性而闻名。通常与碳纤维一起用于要求苛刻的结构应用，如夹子、角片、支架和可能更大的零件。 PEEK基复合材料目前在A&D TPC中占有最大的市场份额。聚醚酮酮（PEKK）：类似于PEEK，但提供了更宽的加工窗口和可能不同的结晶动力学。也用于高性能结构应用。聚苯硫醚（PPS）：与PEEK/PEKK相比，在机械性能、热稳定性、耐化学性和相对成本效益方面实现了良好的平衡。广泛用于夹子、角片和其他结构件等零件。聚醚酰亚胺（PEI）：一种无定形热塑性塑料，以良好的机械性能、固有的阻燃性和比PEEK/PEKK更低的成本而闻名。通常用于室内应用或要求较低的结构。聚芳醚酮（PAEK）/低熔点PAEK（LM PAEK）：一系列高性能聚合物，包括PEEK和PEKK。LM PAEK变体专为较低的加工温度而设计，在保持良好性能的同时，可能会降低能耗和工具要求。增强材料：
碳纤维：由于其卓越的强度重量比和刚度重量比，是高性能航空航天热塑性塑料的主要增强材料。玻璃纤维：用于成本是主要驱动因素或不需要碳纤维极端性能的应用。具有良好的强度、抗冲击性和电绝缘性能。通常用于内部组件或二次结构。芳纶纤维：使用较少，但在保护结构等特定应用中具有优异的抗冲击性。形式：TPC有各种形式，以适应不同的制造工艺：
单向胶带（UD-Unidirectional）：由于纤维对齐，可提供最高性能，适用于自动铺带（ATL）和自动铺丝（AFP）。机织物：为复杂形状提供良好的悬垂性，并在多个方向上保持平衡性能。短纤维热塑性塑料（SFT-Short Fiber Thermoplastics）：用于复杂、较小零件的注塑成型。长纤维热塑性塑料（LFT-Long Fiber Thermoplastics）/玻璃毡热塑性材料（GMT-Glass Mat Thermoplastics）：性能优于SFT，通常用于半结构应用的压缩成型。表1. 热塑性塑料与热固性复合材料 — 关键性能比较
III、 实现装配：热塑性复合材料的焊接技术
航空结构连接的必要性
飞机是由许多结构部件组成的复杂组件。机翼、机身、控制面、肋骨、长桁和检修面板必须牢固连接，以形成完整的飞机机体。几十年来，连接飞机结构（包括由热固性复合材料制成的结构）的主要方法是机械紧固（铆钉和螺栓）和粘合剂粘合。
然而，这些传统方法存在缺点，特别是对于复合材料结构。机械紧固需要钻孔，这会切割增强纤维，产生应力集中，由于紧固件本身而增加重量，并且可能是一个耗时的过程。粘合剂粘合可以避免纤维损坏，但需要细致的表面处理，结构粘合剂的固化时间可能很长，增加了粘合剂层的重量，并引发了人们对粘合线长期耐久性和无损检测（NDI-non-destructive inspection ）的担忧。
熔接/焊接：TPC的优势
热塑性塑料的重熔能力为通过熔融结合（通常称为焊接）进行连接提供了独特的机会。这一过程涉及将TPC部件的配合面加热到聚合物的熔融温度（Tm）以上 对于半结晶或高于Tg 对于非晶态），施加压力以确保紧密接触和固结，然后冷却接头以固化熔融聚合物。理想情况下，结果是一个没有明显界面的整体接头，有效地整合了组件。
与传统的热塑性塑料连接方法相比，焊接具有显著的潜在优势：
消除紧固件/粘合剂：减少或消除对铆钉、螺栓和粘合剂层的需求，从而减轻重量并简化设计。减轻重量和零件数量：通过实现更集成的结构和消除紧固件，焊接直接有助于减轻飞机重量。更快的组装：焊接过程通常可以比固化结构胶或安装大量机械紧固件所需的循环时间快得多。自动化潜力：焊接技术通常非常适合使用机器人进行自动化，从而实现高速、可重复的装配过程。最少的表面处理：与粘合剂粘合相比，焊接通常需要较少的表面处理。TPCs的主要焊接技术
已经开发并采用了几种焊接技术来连接航空航天应用中的热塑性塑料。最突出的方法是超声波焊接、感应焊接和电阻焊接。
超声波焊接（USW-Ultrasonic Welding）
感应焊接（IW-Induction Welding ）
电阻焊（RW-Resistance Welding）
自动化和过程控制：可靠性的关键
无论采用何种具体的焊接技术，航空航天工业的成功实施都取决于自动化和严格的过程控制。实现飞行关键结构所需的一致质量、严格公差和高可靠性需要超越手动操作。机器人系统对于精确操纵焊头（超声焊极、感应线圈）或施加压板至关重要，可确保可重复的定位、移动和施力，特别是在大型或复杂的几何形状上。
同样重要的是实时监测和控制关键工艺参数的能力。这包括对界面温度、施加压力、能量输入（超声波焊接的振幅/功率、IW/RW的电流/频率）和工艺持续时间（焊接时间、保持时间）的精确管理。先进的系统包含用于现场监测的传感器（例如，超声波焊接的位移传感器、温度的热电偶或红外热成像），为闭环控制和质量保证提供反馈。实现高速TPC制造的可行性在很大程度上取决于掌握这些焊接过程的自动化。控制热流、聚合物熔融和固结以及工具交互的固有复杂性需要复杂的机器人集成、先进的传感器技术和强大的过程建模能力。因此，在这些领域进行大量投资是释放TPC焊接在航空航天中的全部生产潜力的先决条件。
焊后质量验证也很重要，在工艺开发和资格认证过程中，采用超声波检测等无损检测（NDI- non-destructive inspection）技术来检测孔隙或剥离，同时进行破坏性机械测试（如搭接剪切试验、剥离试验），以验证接头强度和失效模式。
表2. 主要TPC焊接技术的比较
因此，选择最合适的焊接技术深受应用的具体要求的影响，特别是其规模和几何形状。USW的速度使其成为许多小型、局部接头的理想选择，如连接角片或支架。RW似乎是要求高完整性的大型线性结构接头的首选方法，如机身面板组件或压力舱壁，尽管嵌入式加热元件存在固有的挑战。
IV、 行业实施：案例研究
领先的航空航天公司正在积极将热塑性塑料和焊接技术的理论优势转化为实际应用。通过研究Daher和川崎重工（KHI）的方法，可以深入了解TPC实施的现状和未来方向。
Daher：热塑性塑料集成和焊接的先驱
Daher在战略上将自己定位为航空航天应用热塑性复合材料工业化的领跑者。在保持传统热固性材料专业知识的同时，该公司将很大一部分研发工作用于成熟TPC技术，认识到它们在结构更轻、生产更快、可回收性和可焊接性方面的潜力，这些都是下一代飞机的关键属性。
Daher在法国南特经营着一家高度自动化的工厂，专门从事TPC组件生产，被认为是欧洲最先进的工厂之一。为了进一步加快发展，Daher于2022年在南特附近成立了沙平（Shap'in ）创新中心。该中心专注于成熟先进的复合材料技术，特别是TPC，并将其扩展到工业生产中，与IRT Jules Verne和EMC2集群等区域合作伙伴密切合作。
Daher的TPC产品组合包括越来越多的组件，展示了该材料的多功能性：
结构部件：高负载翼肋（例如，用于空中客车“明日之翼”）、翼梁、假翼梁、抗剪腹板、长桁以及机身和机翼的面板。发动机吊舱组件：进气舱壁、后部辅助结构（RSS-Rear Secondary Structures）、前部辅助结构（FSS-forward Secondary Structures）。控制面/稳定器：一个全尺寸焊接TPC扭力箱演示器，代表其TBM-单发螺旋桨飞机的平尾组件。其他组件：由回收的TPC制成的TBM-单发螺旋桨飞机的角片、夹板、支架、型材，甚至飞行控制踏板。Daher为各种成熟的飞机项目提供TPC零件，包括达索阵风战斗机、空中客车商用飞机（A340、A350、A380、A400M）以及湾流和达索的公务机。他们正在积极开发使用PEEK和LM PAEK等高性能树脂的零件，通常用碳纤维增强。他们还展示了制造厚TPC结构的能力，与威格斯合作开发了32毫米厚的层压板，并开发了中央翼盒的组件。
Daher战略的核心是掌握适用于TPC的先进制造工艺。他们利用自动铺丝（AFP），这是一种获得专利的“直接冲压®-Direct Stamping®”工艺，可加速生产周期、压缩成型和共固结技术。自动化是实现OEM所需高生产率的关键。
Daher TPC方法的一个决定性因素是它非常强调焊接，特别是感应焊接。在2019年战略性收购荷兰感应焊接专家KVE Composites Group后，Daher整合并进一步开发了这项专利技术。他们认为焊接是减轻重量（通过消除铆钉高达15%）、提高生产率和简化装配的关键因素。在沙平中心的全尺寸TBM-单发螺旋桨飞机的HTP扭转箱演示器上成功验证感应焊接是一个重要的里程碑，证明了这种无紧固件装配方法在复杂飞机结构中的工业可行性。
Daher积极参与合作研发项目，以推进TPC技术。他们在法国CORAC框架下领导TRAMPOLINE 2项目，特别专注于开发使用感应焊接而不是铆接组装的TPC水平尾翼。他们还参与了CARAC TP项目，以表征TPC材料在航空航天应用中的特性，并且是空中客车“明日之翼”等清洁天空倡议的合作伙伴。此外，Daher正在实施结构化的TPC回收流程，展示了对材料生命周期可持续性的承诺。
川崎重工（KHI）：大型结构和演变过程
川崎重工（KHI）在制造大型复杂复合材料飞机结构方面拥有广泛而成熟的专业知识，这主要体现在其作为波音787梦想飞机项目主要合作伙伴的角色上。川崎重工负责设计和制造787的机身中段的前段—以其主要由热固性复合材料制成的大型一体式机筒结构而闻名—以及主起落架轮舱和机翼固定后缘的零件。
为了支持这一大规模生产，川崎重工对其名古屋工厂进行了大量投资，建立了配备最先进机械的专用工厂（北部、南部和东部）。这包括用于固化热固性部件的大型热压罐、用于自动材料铺叠的多台AFP机器、自动紧固件安装系统、大型修整和钻孔机以及先进的超声波NDI设备。他们的经验扩展到其他波音项目（767、777、777X）以及与巴西航空工业公司的合作伙伴关系。
虽然KHI迄今为止最突出的复合材料应用涉及通过AFP和热压罐固化加工的热固性材料，但该公司正积极参与热塑性复合材料技术的研发，以利用其潜在的优势。认识到非热压罐（OoA）加工和更高速率的行业趋势，KHI开发了一种称为“局部共固结- local co-consolidation”的TPC新型制造方法。这种非热压罐（OoA）工艺旨在制造复杂的、加强的TPC蒙皮面板。它利用模具中精确控制的温度分布，结合可移动下模对固定上模的渐进式进料。值得注意的是，这种方法在蒙皮固结阶段将加强筋（如长桁）同时焊接到蒙皮面板上。这种创新方法旨在生产比热压罐工艺流动时间更短的大型TPC加筋板，而不需要极大的压力，并通过一次性连接实现稳定的质量。 KHI与JAMCO、东丽和其他公司合作，展示了这项技术，展示了其在机身蒙皮板方面的潜力。
KHI TPC研究的进一步证据包括关于连接CF/PEEK材料的演示，包括TPC和注塑塑料的研发工作，以及将复合材料专业知识（部分通过航空航天开发）应用于其他领域，如“efWING”CFRP铁路转向架。他们还开发了适用于模制热固性和热塑性CFRP部件的大型液压机系统，并参与了使用红外热成像监测超声波焊接（USW）过程的研究。
与Daher相比，KHI的公开披露（基于提供的材料）没有明确强调当前TPC生产零件的广泛组合或感应焊接等特定的专利焊接技术。相反，KHI似乎正在利用其在大规模自动化复合材料制造（来自787）方面的丰富经验，为大型TPC结构开发独特、高度集成的OoA制造工艺，例如固有地结合了焊接的局部共固结技术。
KHI更广泛的研发活动，包括氢技术、机器人、自动化和跨其不同业务部门（航空航天、能源、铁路、机器人）的流程创新等领域，可能为其未来在TPC制造方面的进步提供协同基础。
战略方法和合作
比较Daher和KHI揭示了TPC领域不同但趋同的战略路径。Daher已将TPC工业化，大力利用焊接（特别是通过收购KVE的感应），这是其面向公众的战略的核心支柱，旨在提供各种TPC组件。1KHI在其强大的大型结构热固性制造基地的基础上，正在开发创新的、集成的OoA-TPC工艺，如将成型和焊接结合在一起的本地联合整合，针对大型面板应用。两家公司都清楚地认识到OoA加工和焊接是未来航空结构的关键技术，并在研发和自动化方面投入巨资。
TPC技术的进步不是孤立发生的。案例研究和更广泛的研究突出了生态系统协作的关键作用。Daher与研究机构（IRT Jules Verne）、产业集群（EMC2）、学术界和供应商的合作关系是其沙平中心和项目成功的关键。 KHI与多个合作伙伴合作开发了其本地联合整合流程。像MFFD这样的大规模演示涉及广泛的联盟，包括原始设备制造商（空客）、一级供应商（GKN）、研究组织（DLR、NLR）和大学（代尔夫特理工大学）。像美国的AAMMC这样的倡议明确地将工业、政府和学术界聚集在一起，以创建共享的试验台设施并加速技术成熟。这种合作模式对于应对所需的材料科学、工艺开发、自动化和标准化的复杂挑战至关重要。使TPC工业化，以广泛用于航空航天。没有一个实体拥有所有必要的专业知识或资源；进步依赖于网络创新。
表3. Daher&KHI的TPC组件和制造工艺示例
五、市场动态和未来轨迹
市场规模和增长预测
全球热塑性复合材料市场正在经历强劲增长，这是由于各个行业的采用率越来越高，航空航天和汽车是关键行业。不同来源的市场规模估计和增长预测略有不同，但始终指向显著的上升趋势。
一份报告估计，2024年全球TPC市场为312亿美元，预计到2030年将达到475亿美元，复合年增长率（CAGR）为7.3%。8
另一位消息人士预测，到2030年，市场将达到260亿美元，与2023.13年相比，复合年增长率为4%
第三个项目预计到2030年将从2023年的258.9亿美元增长到448.7亿美元，这意味着复合年增长率为8.17%。
特别关注航空航天与国防（A&D）行业，2023年该市场的价值约为3.3亿美元，预计到2030.11年将以14.8%的复合年增长率增长，达到8.7亿美元。这表明航空航天领域的TPC势头尤为强劲。
从地理位置上讲，亚太地区目前是热塑性塑料复合材料最大的整体市场，主要受其重要的汽车和电子行业的推动。然而，欧洲在A&D热塑性复合材料市场占据主导地位（2023年估计占56.1%的份额），这得益于空客大量使用热塑性材料（例如A350XWB）以及Daher和吉凯恩航空航天等主要一级供应商的存在。在波音公司的活动、国防应用、新兴的UAM/eVTOL市场以及旨在建立国内热塑性塑性塑料供应链的AAMC技术中心等战略举措的推动下，北美预计将实现强劲增长。
主要增长动力
几个相互关联的因素正在推动TPC在航空航天中的采用：
对轻量化的不懈追求：降低飞机重量仍然是提高燃油效率、降低运营成本和减少温室气体排放的主要目标，帮助航空公司和原始设备制造商满足日益严格的环境法规。与金属甚至热固性复合材料相比，热塑性塑料可大幅减轻重量。强调可持续性：热塑性塑料固有的可回收性与人们对循环经济原则的日益关注以及减少制造和报废处置对环境的影响完美契合。与热压罐固化热固性材料相比，低能耗OoA加工的潜力进一步提高了它们的环境认证。随着行业优先考虑ESG-Environmental, Social, and Governance（环境、社会和治理）目标，这种可持续性方面正在从次要利益演变为材料选择的潜在决定性因素。制造技术的进步：TPC加工的持续创新至关重要。自动铺丝（AFP）和自动铺带（ATL）的发展，结合了集成加热（激光、红外）、更快更可靠的焊接技术（USW、IW、RW）、先进的成型工艺（冲压成型、压缩成型）以及复杂的自动化和机器人技术，使TPC制造更快、更一致、更具成本效益，能够生产更大、更复杂的零件。新飞机项目和市场的需求：下一代商用飞机（如A320和B737系列的潜在继任者）、先进军用平台（包括可归因飞机）以及UAM/eVTOL等全新航空领域的开发周期，为从一开始就在TPC中进行设计创造了机会。这些新市场通常要求TPC承诺的高生产率、成本效益和轻量化性能。挑战和限制
尽管有积极的势头，但在主要航空结构中广泛采用热塑性塑料仍然存在几个障碍：
新兴趋势与未来展望
TPCs在航空航天领域的未来发展轨迹似乎很光明，由几个关键趋势决定：
VI、 结论：未来是焊接和热塑性复合材料
航空航天工业正在经历重大的材料演变，热塑性复合材料将在下一代飞机的设计和制造中发挥越来越重要的作用。TPCs提供的引人注目的优势—大幅减轻重量、大大加快制造周期、优异的韧性和损伤容限、固有的可回收性以及由于保质期长而简化的物流—解决了该行业面临的许多关键挑战，包括对燃油效率的不懈追求、对更高生产率的需求以及对环境可持续性日益增长的迫切要求。
至关重要的是，使用熔焊或焊接连接TPC组件的能力代表了一次革命性的技术飞跃。超声波、感应和电阻焊接等技术为消除重型和复杂的机械紧固件和粘合剂提供了途径，从而能够创建更轻、更集成、可能更具空气动力学效率的结构。这些焊接过程的成功自动化是释放热塑性塑料高速生产潜力的基础。
Daher和川崎重工等行业领导者体现了对推进TPC技术的承诺。Daher非常注重将一系列组件的TPC生产工业化，特别强调利用专利感应焊接技术作为核心竞争力。 KHI凭借其在为波音787制造大型热固性复合材料结构方面的丰富经验，正在开发创新的、集成的热压罐外TPC工艺，如局部联合固结，该工艺将成型和焊接结合起来，以解决大型面板应用问题。虽然他们的具体方法可能有所不同，但两家公司以及柯林斯航空航天公司和Spirit AeroSystems等其他关键参与者显然都在投资TPC和焊接，将其作为未来飞机的基础技术。
毫无疑问，重大挑战依然存在。TPC材料的初始成本较高，需要进一步标准化制造和连接工艺，高速将生产扩展到非常大的结构的复杂性，以及对成熟预测建模工具的要求都必须得到解决。然而，在密集的研发、自动化和数字化的进步以及通过联盟和共享测试台进行的重要合作努力的推动下，创新的步伐表明这些障碍是可以克服的。
发展轨迹是明确的：借助先进的焊接技术和高度自动化的制造系统，热塑性复合材料将重新定义飞机结构生产。这一转变不仅有望实现更轻、更省油的飞机，而且有望实现更可持续、更具成本效益的制造工艺。这些技术的整合不仅仅是一种渐进式的改进；它是实现下一代飞行的性能、生产率和环境目标的关键推动因素。 ------ 完 ------
编后语
下一代民机，将大量使用热塑复材制造结构件。本文和今年4月份发出的《热塑性复材-从材料导制造和应用》的两篇长文，较详细论述了热塑复材，特别是高温、高强度热塑复材的来龙去脉。目前，商飞双通道、宽体客机C929的设计工作正在进行。上述两篇近百页文章，对参与和关心C929的同仁，有一定的参考价值。
原文，《Next-Generation Aircraft Structures: Thermoplastic Composites and Welding Technologies》 2025.5.12
杨超凡 2025.8.31
来源：复合材料前沿
