关键词：热塑性复合材料，热塑性树脂，增强纤维，
在绿色制造与轻量化需求的双重驱动下，热塑性复合材料（TPC）凭借其可回收性、高成型效率及优异的力学性能，正成为材料科学领域的热点。本文将从材料创新、制备工艺、连接技术、应用场景及未来挑战等角度，全面解析热塑性复合材料的最新技术进展。
一、材料创新：高性能与可持续并重
1. 增强纤维与树脂基体的协同优化
热塑性复合材料的核心由增强纤维（如碳纤维、玻璃纤维）与热塑性树脂（如聚丙烯PP、聚醚醚酮PEEK）构成。近年来，研究重点聚焦于提升两者的界面结合力。例如，通过纳米改性技术（如添加有机蒙脱土OMMT）优化树脂基体的韧性，可显著提高复合材料的断裂强度和阻燃性能。碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）因轻质高强特性，在航空航天领域逐步替代传统金属材料，如湾流公司飞机的机腹壁板已采用CF/PPS复合材料制造。
图1 湾流G650热塑性机腹壁板
2. 生物基与可降解材料的突破
为应对环保需求，生物基热塑性树脂（如聚乳酸PLA）及可降解复合材料成为研究热点。这类材料在包装和医疗领域展现出潜力，例如可降解手术缝合线和环保包装膜。然而，其力学性能仍需通过纤维增强和共混改性进一步提升。
图2 可降解PLA缝合线
二、制备工艺：高效与精密化并行
1. 热冲压成型技术
热冲压成型（Thermo-Stamping）是连续纤维增强热塑性复合材料的关键工艺。武汉理工大学陈宏达团队通过仿真模拟，揭示了成型过程中面外褶皱的形成机理，并优化了温度、压力等参数，成功应用于大飞机机翼前缘增强肋片的制造。该技术可大幅缩短生产周期，降低能耗。
图3热塑性复合材料热冲压成型工艺流程
2.缠绕与3D打印技术
在储氢容器领域，热塑性复合材料缠绕技术（如IV型氢气瓶）因抗疲劳性和密封性优势备受关注。通过全缠绕设计与工艺优化，可实现70MPa高压储氢需求。此外，3D打印技术为复杂结构件提供了新思路，如采用熔融沉积成型（FDM）制备定制化医疗植入物。
图4热塑性预浸带缠绕成型
图5 FDM成型流程和系统模型
三、连接技术：从机械紧固到熔融焊接
传统机械连接（如铆接）易损伤纤维，而胶接面临环境敏感性问题。熔融焊接技术因无需添加粘合剂且效率高，成为TPC连接的主流方向：
1.电阻焊接：通过电流加热导电元件（如不锈钢网）实现界面熔合。德国宇航中心在CF/PPS复合材料部件焊接中，采用涂覆TiO₂涂层的加热网，解决了漏电问题并提升接头强度。
图6 电阻焊接原理
2.超声焊接：利用高频振动产生摩擦热，适用于自动化生产。波音公司研究表明，超声焊接可降低30%的劳动力成本，且接头强度优于传统方法。
图7 超声焊接
3.感应焊接：通过电磁场诱导涡流加热，实现非接触式精准控温，已在湾流G650飞机方向舵制造中成功应用5。
图8 感应焊接
四、应用场景：从航空航天到生活医疗
1. 航空航天：轻量化与高性能的典范
TPC在飞机结构中的应用显著降低重量并提升燃油效率。例如，空客A320后压力舱壁采用电阻焊接的CF/PPS复合材料，替代传统金属结构；H-160直升机中央旋翼桨榖则通过热塑性复合材料实现高抗冲击性。
图9 空客H-160直升机
2.新能源汽车：储氢与电池包革新
热塑性复合材料高压储氢气瓶（IV型）因其耐腐蚀和抗疲劳特性，成为氢能汽车的核心部件。光威复材正开发相关试验产线，未来有望推动成本下降。此外，电池包壳体采用TPC可兼顾轻量化与电磁屏蔽需求。
图10 电池包复合材料壳体
3.医疗与电子：精密与安全的保障
在医疗领域，热封技术用于无菌包装和可降解植入物；电子元件封装中，TPC的耐湿性和绝缘性保护精密电路板（PCB）免受环境侵蚀。
图11 电路板热封装
五、挑战与展望：技术突破与产业协同
尽管TPC前景广阔，仍需突破以下瓶颈：
成本与规模化生产：高性能纤维（如碳纤维）价格高昂，且热压设备投资较大。
回收体系不完善：虽然TPC可回收，但分类与再加工技术尚未成熟。
标准化缺失：连接工艺和性能评估缺乏统一标准，制约大规模应用。
未来，行业需聚焦三大方向：
绿色工艺开发：推广生物基树脂和低温成型技术，减少碳排放。
智能化制造：结合数字孪生与AI优化工艺参数，提升良品率。
跨领域协同：材料、装备与下游应用企业需深度合作，加速技术落地。
结语
热塑性复合材料的技术革新正重塑制造业格局，其应用从云端航天器延伸至日常生活，彰显了材料科学的无限可能。随着产学研协同推进，这一“绿色材料”有望在可持续发展中扮演更重要的角色。
参考文献：
中国复合材料工业协会专题报告：先进热塑性复合材料连接技术发展热点分析
https://www.ccia.xin/zhuantibaogao/1902.html
武汉理工大学科研团队成果：*陈宏达，曹东风，胡海晓等，连续纤维增强热塑性复合材料热压成型工艺研究进展
行业分析报告及企业动态：2025年热塑性材料行业深度研究分析报告https://max.book118.com/html/2025/0130/6101101151011034.shtm
