高效能热塑性树脂基复关材料以其超卓的归纳功能得回广大合注，依然运用于航空航天、火油化工、生物制药、交通运输等边界。与保守热固性树脂基复合质料比较，高成效热塑性树脂基复合质料具有以下优势：或许完毕熔融焊接，焊接点的力学功能高；超卓的蹂躏容限，差劲环境的适合性强；成型进程可逆，露出缺点没合系在线创设；吸湿性低，下降规划余量；室温下无限日贮存，无需冷藏开发，下降储蓄本钱；超卓的耐温成效，如聚醚醚酮树脂（PEEK）永世耐热温度为250 ℃；可接受行使，是绿色环保质料。热塑性树脂基复合材料成型除了无妨选用死板的成型手法外，还没联系选用行进的原位成型法。图1是原位成型进程讲理图：热塑性预重带进程导向编制，来到铺放头，热源将预重带中的热塑性树脂加热熔融，压力辊对其加压铺放，冷却定型。确实流程经历操作单元结束关环独占，独占单元没联系告竣热源热量和视点的调剂，接收热成像仪对切点温度进行实时反应。原位成型把戏的特性决计了其具有热压罐等传统成型手法无法比拟的利益：首要，原位成型法管制了超大、超厚制件尺度受热压罐尺度个人的问题；其次，原位成型法是一种在线成型本事，无后责罚通过，中止产品流通流程，坐蓐周期短、成效高、成本低。

　　原位成型身手制备的热塑性复关质料成效只能抵达古代热压罐成型技术的80%。体会感应，免除20%距离的症结在于：打破原位成型的两项合节技术，即：铺放级预浸料制备技艺和加热铺放头的安插筑造技术，从材料和工艺两方面排出或下降影响热塑性复合质料功用的倒运成分。本文首要介绍国内外原位成型工艺及其两项环节武艺的参议行进，按照原位成型工艺使用于航天边界的模范类型，提出原位成型工艺两项症结身手的目标，并对原位成型工艺明日的行进实施猜测。

　　美国，以Automated Dynamics 公司为代表，从20世纪90年初初步就与麦叙公司配关，将原位成型本事使用于超大型潜艇壳体的制备。90年月中期，Automated Dynamics 公司与兰利接头重心合作操作燃气帮忙型铺放设备，进程近30年的行进，Automated Dynamics 公司选用原位成型武艺临产的热塑性复关材料产品，年产量跨过5 t，产品模范包括来源脚步、修建、航空、航天、军事、动力等规划。

　　在铺方头方面，Automated Dynamics 公司与兰利商议关键结合劝导了燃气拯救型铺放头[图2(a)]，搜求阶段式加压冷却和一次性加压冷却等不同模范。接着，坚持劝导了激光拔擢型铺放头[图2(b）]，全体来叙，其研发思途是将铺放头与龙门式铺放机连合，举行超大尺度安排件的临产。

　　在铺放级预浸料方面，以Cytec公司为代表（现已附归于索尔维集体），Cytec公司临产的APC-2预浸料是迄今为止唯一被验证的航空航天级热塑性预重料。假使选用热压罐成型制备的APC-2复合质料功用优异，但是标准级此外APC-2预浸带并不适合于原位成型工艺。从图3(a)APC-2预重带的横截面微观姿态可以看出：APC-2预浸带孔隙率较大，纤维树脂分布不均，归纳树脂层厚度不均。为了恰当原位成型工艺的吁请，Cytec公司曾小批量临产过实验级其他APC-2预浸带，从其横截面微观容颜看[图3(b)]，实验级APC-2预浸带质地清楚行进，孔隙率减小，纤维树脂涣散均匀，外观有一层匀称厚度的富树脂层。但是实验级APC-2临产出力低，并没有告终商品化。

　　欧洲是热塑性复合材料研发的温床，重要得益于热塑性复合质料参议中心在该规划的推进。该关键开办于2009年，整关了全欧洲规划内优势热塑性复合质料的科研安排。其甲第联合朋友中有荷兰的Twente大学不苛热塑性复合材料的根基理论商酌，Victrex和TenCate公司需求优质的热塑性树脂和预重料，Fokker和Boeing公司提坐褥品需求，二级结合朋友中的Coriolis公司供给铺放制作，变成了完善的热塑性复合质料产业链。根据以上布景，热塑性复合材料及原位成型技术在欧洲的航天领域完了了跳过式展开。Astrium Space Transportation（AST）公司，是欧盟火箭发射器的紧急承包商，在2010年公告了其往日十年的前进筹谋，以满意将来发射器的需求。这份准备中，拟订了少量雄心壮志的倾向，寻求：（1）到2020年收场非热压罐身手成熟度抵达TRL6，具体通过两条武艺门途完结，一是电子束固化身手，二是热塑性复关质料的原位成型身手；（2）到2020年具有制备超大型复关质料的智慧，简直来说便是或许制备Φ4 m×15 m的复关材料发射器。图4是AST公司热塑性复闭质料激光原位成型项方案武艺道路 Astrium Space Transportation 公司激光原位成型项主旨技艺门途

　　遵从发射器的各异部位，不同选取纤维铺放技术和先进纤维盘绕身手。纤维铺放本事应用于发射器的上面级和结合裙，前进纤维盘绕身手操作于发射器的一、二、三级壳体。首要，AST公司实施先进纤维盘绕武艺研讨，2014年制备了Φ304 mm的热塑性复关质料壳体样机，爆炸压强23 MPa，本事成熟度到达3级。2015年制备了Φ800 mm的热塑性复合材料壳体样机，爆炸压强23.9 MPa，记号着展开纤维环绕技术的身手成熟度来到5级。同年，选用纤维铺放技术成功制备了发射器的上面级和Φ800 mm的热塑性复合质料裙，符号着热塑性纤维铺放技艺的技术成熟度来到5级。放手2015年，AST公司现已将热塑性复合质料原位成型工艺的技术成熟度行进到5级，照常具有制作大型发射器的武艺才能。

　　欧洲的此外一个航天强国——德国，简直与Astrium公司一起也展开了热塑性复合材料原位成型工艺在壳体成型方面的商议。德国的慕尼黑家产大学，MT宇航公司、Augsburg大学连接研发了热塑性复合质料筹办机壳体、裙和贯串区[15]。德国的参议安排甚至走的更远，悉数人研发的教唆机壳体Φ1 300 mm×2 500 mm，是阿利安6固体火箭助推火箭的二级筹办机旨趣样机（图5）。该旨趣样机的成型身手也是激光支撑纤维铺放和环绕工艺。质料选用了碳纤维增强的聚苯硫醚（PPS）预浸带。均匀铺放速度是8 m/min，筒段单个的环绕层数是32层，裙部铺放层数是52层，毗邻区铺放层数是312层。图6是盘绕通过中温度和铺放速度的改观曲线。温度数据闪现，盘绕通过中的温度改观很小甚至在盘绕封头这种凌乱型面时，温度的弯曲照样能掌管在20 ℃以内。铺放速度的波折规划 20%。

　　归纳欧洲原位成型工艺环节身手的前进状况：铺放头方面，欧洲国家多选用激光为热源，将激光接济的铺放头与板滞臂相相连，可以收场8轴行径；铺放级预重带方面，以荷兰TenCate公司为代表，闪现出Suprem、Bond Laminate等浩繁热塑性预浸料生厂商，极大地鼓励了热塑性复合质料及其原位成型技艺在欧洲的行进。从预重带横断面的微观神态无妨看出：TenCate公司出产的AS4/PEEK热塑性预浸带[图7(a)]，树脂纤维分布均匀、孔隙率小、预重带厚度精度高、表面富树脂层厚度均匀、没闭系适合环绕、铺放等各异产品工艺的央求。此外，与TenCate公司出产的热塑性预浸带比较，Suprem公司临产的IM7/PEEK预重带[图7(b)]，在树脂分布匀称性、孔隙率、归纳富树脂层厚度等质地专揽方面呈现稍差，必定重染热塑性复合材料构件的力学成效。

　　国内涵原位成型技术方面起步较晚，20世纪90年代，北京航空质料咨询院从热塑性预重带和火焰匡助的主动铺放身手开端，对原位成型技术展开了极少用含义的商酌工作。近年来，一些科研安排选用燃气拔擢型铺放头在线成型了玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料，并参议了铺放速度、张力、加工温度及铺放压力等工艺参数对复关材料构件成效的影响。但是，因为缺少项目牵引和根底原质料拥护，加之欧美国家对展开热塑性预沉料及原位成型相干筑筑的紧关，进一步变成展开热塑性复关质料原位成型身手在国内前进缓慢。

　　激光铺放头方面，热量的输入份额为60/40，即热量的60%输入到入料预浸带的下皮相，热量的40%输入到已铺放基体的上外观；压辊压力在100~200 N内，压辊压力过小，陶染层间粘接强度，压力过大，预重带变形危机增大；入料预浸带与已铺放基体的切点温度高于热塑性树脂熔融温度40 ℃；铺放速度应＞3 m/min，不然无法保证复合材料构件的临蓐效能；激光的入射视点＜20°，即激光与模具（或已铺放基体）的夹角＜20 °。因为压辊的保管，入料预重带与已铺放基体之间存在一处暗影区域，激光无法到达该暗影区域，形成入料预浸带与已铺放基体之间分布不均匀。该暗影区域的规划与激光的入射视点有合，激光的入射视点越小，暗影面积越小。

　　铺放级预重带方面，预重带搜罗两头在内的厚度晃动＜6%；预重带宽度哆嗦边界在-0.1~0 mm；预重带的孔隙率≤1%。以上三项指主旨专揽与末端复合材料构件孔隙率的掌管有闭。预重带厚度的变化使得加压辊施力不均，然后变成终究复合材料构件中层间保存孔隙，预沉带宽度弯曲也会形成层间孔隙的变成，而预浸带中的孔隙（图10）终末以复合材料构件中的层间孔隙即分层害处款式存储。

　　在原位成型通过中，层间孔隙很难全体排挤，这是受原位成型特征的单个。首要搜罗两个出处：起先，是成型功夫短变成的，添补层间孔隙必要孔隙旁边面高黏度纤维/树脂拌杂物的微观战栗，而预浸带在原位成型流程中受热受压的岁月为50~100 ms，高黏度纤维/树脂羼杂物的微观轰动很难在这么短时间内完结；其次，是原位成型工艺特别的安排，即加压辊，限度了孔隙的消除。在热压罐工艺中，制品被密封在真空袋中，真空袋底部的分压器鼓动了制品中树脂的达西活动，利于抛弃制品中的孔隙。然则，这种孔隙排挤机制并不适用于原位成型工艺，来历加压辊直接处于加热地域的上方，窒碍了孔隙的排击。

　　此外，预重带中树脂和纤维的分布境遇也是衡量预浸带质量的匆促技术目标。理思的铺放级预浸带，其内里树脂和纤维分布均匀，表面有一层厚度均匀的富树脂层。假使树脂和纤维分布不均，树脂富集区会下降层间和层内剪切力的传达，而纤维富集区无法有用承载面内载荷，终末变成热塑性复合材料构件力学功用消沉。铺放级预重带表面一层薄而匀称的富树脂层，有利于高疾铺放要求下告终层间超卓的粘接，遵从参议究竟，感应抱负的富树脂层厚度为6 μm，尺度与碳纤维单丝直径卓殊。

　　热塑性树脂基复关质料原位成型是一种非热压罐成型工艺，符关制备超大、超厚复关材料构件，何况与纤维自愿铺放技术相联合，智能化水准高，临产效能高，在航空航天、石油化工等规划具有庞大的使用远景。铺放级预重料制备本事和加热铺放头的安排制作技术是打破热塑性树脂基复合材料原位成型工艺的关头。行为一项新式的成型身手，热塑性树脂基复关材料原位成型工艺尚有以下商酌管事需求实施。

　　（1）铺放工艺酌量。在原位成型进程中，触及到加热、冷却、全面触摸、熔融、铺放压力及剩下应力等方面的问题，这些问题的处置和处置又触及一系列的合联学科，如传热学、结晶动力学、热力学、布朗行为及分散现象、牛顿流体力学。体会对上述学科触及的闭连铺放工艺展开筹议，为铺放工艺参数的设定需求理论遵从。

　　（3）设备铺放工艺模型。铺放工艺模型严重触及加热和冷却两个进程。在加热流程中，从热量通报方向研讨，可设备一维、二维或三维的热通报模型，咨询破例年光、温度在纤维束中各异当地的分布状况以及期间、温度、当地三者之间的合连。在冷却进程中，急急研讨结晶动力学模型的筑设，纤维增强材料的参与，必然改变热塑性树脂的结晶四肢，然后陶染复关材料的成效。将开发模型与实习究竟相联合来参议原位成型工艺，可以在较短年光内估计产品的结束效能，得到较为合理的工艺参数，引导实践出产。