在航空航天领域中，常用的热塑性复合材料基体包括聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、低熔点聚芳醚酮（LMPAEK）、聚苯硫醚（PPS）以及ABS等，这些材料通常采用玻璃纤维（GF）或碳纤维（CF）进行增强。热塑性复合材料（TPC）在航空航天领域已广泛应用于民用航空制造、国防军事装备、太空探索及相关科研项目中。目前，商用航空应用在该行业中占据重要份额，并通过持续的研发努力不断拓展TPC的应用范围。2019年的一项市场研究显示，航空航天与国防工业用热塑性复合材料市场规模预计将达到6.365亿美元，反映出该材料日益受到关注。
随着航空业的迅速发展，如何在短期内高效完成飞机制造成为行业关注焦点之一。同时，为减轻飞机重量，减少大型结构中铆钉和紧固件等装配材料的应用，也成为航空航天企业的重要研究方向。凭借其生产速度快、可回收性好以及可焊接等优势，TPC正逐渐成为替代传统材料构件的新兴研究方向。因此，多家航空公司及研究机构已设立包括TPC在内的诸多项目作为研究课题。自20世纪80年代以来，TPC在航空航天领域的应用持续扩展，范围不断拓宽。图1展示了TPC在航空航天与国防工业中的若干关键应用实例。例如，为空客开发的基于CF-PPS的J-nose部件，为TPC在商业航空中的应用奠定了基础。
图1：航空航天领域热塑性复合材料的关键应用
热塑性复合材料广泛应用于飞机的结构件与非结构件。20世纪90年代起，TPC开始应用于起落架舱门的肋条和翼梁等关键部件。作为主要用户，空客在A340-600和A380机型中采用了热塑性蒙皮、面板及前缘部件。此外，商用飞机、喷气机与军用直升机中的夹子、夹板、支架和地板等小型部件也广泛使用TPC。湾流G650飞机采用TPC制造方向舵和尾翼是一个典型例子。常见的热塑性内饰件包括座椅底盘、靠背、托盘和座椅框架。在空客A330和A340中，侧壁与天花板连接导轨的生产是客舱应用的典型案例[1]。图2展示了TPC制成的常见部件，如肋条、支架和加强筋。
随着民航业的快速发展，尤其是在新型生产方法的推动下，热塑性材料的应用取得显著进展。增材制造（AM），即通常所说的3D打印技术，为航空航天领域带来新的应用可能。目前，多家航空航天企业正在测试并使用3D打印热塑性部件，充分利用其快速、精准的生产优势。例如，波音公司在737、747、777及787梦想飞机系列中应用3D打印部件，仅787机型就实现300万美元的收益[2]。该技术尤其适用于快速、精确地制造具有复杂几何形状的零件。空客A350 XWB飞机使用了超过一千种PEI基3D打印部件[3]，这些应用为3D打印技术在大型飞机和未来航空项目中的应用铺平道路，以其快速、轻量、耐用且高精度的特点，逐步替代传统材料与工艺。
此外，多项正在进行中的项目致力于将TPC技术拓展至太空领域。多家航天公司采用不同的热塑性加工工艺来制造大型和小型火箭部件。例如，德国航空航天中心在ATEK项目[4]中，以原位制造的CF-PEEK复合材料替代铝基主结构，并将其用于探空火箭试验部件。该项目旨在开发可重复使用和可回收的航天器部件，以降低生产成本。相关研究参见图。
图：ATEK计划中使用的火箭及被CF-PEEK热塑性复合材料替代的原铝部件
可焊接性是热塑性复合材料的一项重要优势，也是其在航空航天应用中份额增长的主要原因之一。通过焊接将多个单独生产的部件集成为单一构件，可避免使用额外装配材料，从而减轻重量并减少因装配造成的损伤。在一项研究中，采用感应焊接工艺为空客A330-200前缘制造了CF-PPS热塑性复合材料演示件。
空客于2015年启动“明日之翼”（WOT）项目，联合多家航空航天企业共同开发新型生产工艺，以利用新材料制造经济高效的飞机机翼。在WOT框架下，GKN航空航天公司研制出热塑性复合材料翼肋，其性能可与铝或热固性复合材料相媲美，并在减重的同时提高了耐腐蚀性。
欧洲多国航空公司与机构合作推进了多个热塑性复合材料（TPC）在航空航天领域的开发与应用项目。其中“热塑性经济型飞机主结构联盟”（TAPAS）项目分为TAPAS1和TAPAS2两个阶段。荷兰于2009年首次启动TAPAS项目并持续至2017年，汇聚多家航空企业与机构共同推进新型TPC部件的研发。TAPAS1项目完成了演示件、机身和扭力箱的制造；TAPAS2则开发了新型扭力箱和机身技术。目前这些项目在“洁净天空”计划下进行协调，以进一步完善技术方案并扩大合作范围。“洁净天空”（2008–2016）和“洁净天空2”（2017–2021）是欧盟“地平线2020”计划的重要组成部分。在“洁净天空2”中，最重要的成果之一是推出采用热塑性复合材料制造的多功能机身演示器，以降低成本和重量，该部件拟用于客舱系统。规划中的机身结构如图所示。
图：热塑性复合材料机身段
回顾航空领域的实验与研究，聚芳醚酮（PAEK）族材料中的PEEK、PEKK和LMPAEK应用最为广泛且适用性最强。例如，在TAPAS2项目中，GKN Fokker公司推出“对接正交网格技术”，实现了经济高效的热塑性复合材料机身制造。
另一项重要应用是采用在线超声波点焊技术，将CF/PEEK铰链、CF/PEKK夹子和CF/PEEK C型框架连接成演示样件，该样件属于“洁净天空”生态设计项目[9]。研究表明，可根据实际需求选用不同材料并集成于同一产品中。
PEKK不仅适用于航空航天，在太空结构中也有广阔前景。洛克希德·马丁航天公司正在为NASA“猎户座”飞船开发下一代3D打印热塑性部件，并开展相关研发项目。
为提高生产效率和飞机制造速度，航空航天领域不断创新飞机结构的设计与制造工艺。其中，采用PEEK进行包覆成型是一项代表性技术。例如，图所示的PEEK网格加强演示板，结合压制成型与注塑工艺，实现了连续纤维复合材料的高性能与注塑格栅的几何刚度相结合，整个成型周期不足两分钟，显著节约了时间]。
图：通过包覆成型技术制造的CF/PEEK网格加强演示器
LMPAEK在Clean Sky 2大型客机试验项目中作为单向（UD）预浸带使用，是该时长为30个月的项目中首批制造的层压板之一。LMPAEK最早在TAPAS1项目中引入，空客南特公司在2013年巴黎航展上展出了一款带集成加强筋的机身壁板，该件采用TenCate提供的CF/LMPAEK带材制造，并通过自动纤维铺放（AFP）工艺将Omega及T型桁条焊接到蒙皮上。AFP、冲压与焊接工艺特别适用于LMPAEK的加工，该材料在自动铺带（ATL）等自动化生产中表现优异。图11展示了采用ATL与压制成型工艺制造的层压板。
聚苯硫醚（PPS）复合材料在航空航天与国防工业中应用广泛，获批准用于电路板、插座、插件、电子元件及防空飞机[15]。
热塑性材料的常用制造工艺（如热成型、压塑和注塑）通常需高温高压环境，而聚醚酰亚胺（PEI）因其耐高温、机械性能稳定等特性，拥有广泛的应用前景。随着3D打印技术的发展，各公司在航空航天领域取得多项突破，为相关研究提供新案例。该技术可快速制造高质量原型、工装和小批量零件。例如，Aurora Flight Sciences与Stratasys合作研制出全球首架3D打印喷气无人机，其80%通用部件采用PEI基材料打印，整体设计兼具轻量、高速和生产效率高的特点。
ABS通常作为传统航空航天材料的轻质替代品，用于对强度和耐高温性要求不高的场合。通过改性或与其他材料共混，ABS也可用于制造重要部件，以获得所需性能。ABS及其混合材料因具备良好的耐化学性和阻燃性，常用于商用飞机客舱内饰。在不需要极高结构强度但要求轻量、经济、耐用且易维护的部件中，ABS是理想选择。例如，CF/ABS热塑性复合材料夹层结构被用于制造四轴飞行器的双倾斜夹具，测试表明其性能优于传统单片结构[19]。
热塑性复合材料（TPC）凭借其当前所具备的诸多优势，正逐渐成为航空航天工业中传统材料的重要替代品。可回收、易成型、可焊接、轻质且耐用的TPC材料，多年来一直是该领域的重要研究与应用方向。另外，3D打印技术尤其适用于制造无人机及其他航空航天领域中的热塑性复合材料部件。同时，得益于其可回收特性，TPC在未来的航空航天项目中具有显著的应用潜力。随着研发活动的持续深入，热塑性复合材料在飞机结构中的应用预计将进一步扩大，从而为航空航天领域带来兼具经济效益与环境效益的新发展阶段。
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