一、AFP/FW技术核心突破：从材料到工艺的协同创新
热塑性复合材料自动纤维铺放（AFP）与纤维缠绕（FW）技术通过原位固结（ISC）实现了材料性能与制造效率的双重突破。以PEEK、PPS等耐高温树脂为基体，结合碳纤维增强体，AFP/FW技术在铺放过程中通过梯度温度控制（如385℃热气温度、0.3MPa热压辊压力）实现树脂熔融与纤维浸润的同步完成。相较于传统热固性复合材料的热压罐工艺，该技术将生产周期缩短80%，且避免了固化后复杂的后处理流程。
在设备集成方面，AFP-XS技术（AFP与FW功能融合）通过多轴联动控制系统，可实现复杂曲面结构的应力路径铺放，例如航空发动机进气道的变角度缠绕与机身蒙皮的曲面铺覆。德国宇航中心（DLR）开发的AFP设备采用激光加热系统，铺放速度达3m/s，同时通过热成像实时监测温度场，确保铺层间空隙率低于1%。
二、航空机身蒙皮铺覆：轻量化与可靠性的极致平衡
1. 工艺设计与参数优化
空客“洁净天空2”计划的MFFD项目中，上机身蒙皮采用AFP原位固结工艺，使用T700碳纤维/低熔点聚芳醚酮（LMPAEK）预浸带，通过390℃激光加热与1.1MPa冷压辊压力实现层间粘结。铺层设计中，外层引入雷击防护（LSP）材料，内层采用梯度角度（±45°/0°/90°）增强抗冲击性能。德国宇航中心的测试数据显示，该蒙皮在-60℃~120℃热循环1000次后，弯曲强度保留率达92%，显著优于传统热固性蒙皮的78%。
2. 连接技术创新
蒙皮与桁条的连接采用超声波焊接技术，通过20kHz高频振动使界面树脂熔融，形成分子级结合。GKN Fokker开发的焊接头集成加热棒与砧座，可在1秒内完成10mm焊缝，接头强度达基体材料的85%。相较于传统铆接，焊接技术使机身重量减轻15%，同时消除了钻孔导致的纤维损伤风险。
3. 质量控制与检测
蒙皮制造过程中，红外热成像与超声C扫描技术被用于实时缺陷检测。荷兰航空航天中心（NLR）的热成像系统可在2小时内完成180°下半机身的扫描，检测精度达0.1mm级，有效识别未固结区域与层间脱粘。此外，数字孪生技术被用于模拟铺放过程中的应力分布，预测潜在缺陷并优化工艺参数。
三、海洋管道缠绕：耐极端环境的工程实践
1. 结构设计与材料选择
深海管道通常采用三层结构：内层PEEK提供耐腐蚀性，中层碳纤维增强层承受压力载荷，外层聚丙烯（PP）作为保护层。武汉理工大学开发的五轴缠绕机可实现螺旋缠绕角度（±55°）与环向缠绕的复合铺放，纤维体积分数达65%，使管道轴向拉伸强度超过1200MPa，耐内压能力达30MPa。
2. 工艺参数优化
在铺放过程中，树脂熔融温度与冷却速率是关键参数。例如，PEEK预浸带的熔融温度需控制在380±5℃，冷却速率为10℃/s，以形成均匀的结晶结构（结晶度35%±2%）。天华化工机械研究院开发的三层PE缠绕技术，通过调整缠绕张力（200-300N）与加热功率，使涂层厚度均匀性误差小于5%，达到直管3PE防腐标准。
3. 极端环境适应性
南海深水油气田的测试数据显示，采用AFP/FW技术制造的PEEK基管道在-20℃~80℃温度循环与30MPa内压条件下，经1000次循环后无裂纹产生，抗疲劳寿命较传统钢制管道提升3倍。此外，表面纳米硅基涂层（粗糙度Ra≤0.8μm）使管道水力摩阻系数降低15%，显著提升输送效率。
四、关键挑战与未来趋势
1. 材料与工艺协同优化
针对航空领域的高温需求（如发动机尾喷管需耐600℃以上），需开发新型热塑性树脂（如聚酰亚胺改性PEEK），同时优化AFP工艺中的加热模式（如脉冲激光加热）以避免树脂降解。在海洋领域，需进一步提升复合材料与金属接头的粘结强度，例如通过表面等离子体处理（功率100W，时间300s）增加碳纤维表面极性基团密度，使接头剪切强度从40MPa提升至65MPa。
2. 智能化与数字化升级
数字孪生技术将成为AFP/FW工艺优化的核心工具。例如，山东大学开发的仿真模型可预测铺放过程中的温度场分布与纤维变形，结合机器学习算法优化工艺参数，使缺陷率从5%降至1%以下。此外，集成光纤光栅传感器的智能模具可实时监测管道缠绕过程中的应变变化，实现质量闭环控制。
3. 绿色制造与循环经济
热塑性复合材料的可回收性使其在环保领域具有显著优势。德国宇航中心的研究表明，退役的PEEK基管道经250℃熔融再生后，碳纤维性能保留率达85%，可用于制造非承力结构件。未来需进一步完善回收工艺，例如开发化学解聚技术，实现树脂与纤维的高效分离。
热塑性复合材料AFP/FW技术通过材料创新、工艺优化与设备集成，正在重塑航空航天与海洋工程领域的制造范式。在航空领域，其实现了机身结构的轻量化与长寿命目标；在海洋领域，其解决了传统金属管道的腐蚀与疲劳难题。随着智能化技术的深度融合与绿色制造体系的完善，该技术有望在未来十年内成为高端复合材料制造的主流方法，推动相关产业向高效、可持续方向发展。
