五大碳纤维增强热塑性复合材料

狗屁昵称 · 发表于 2024-3-20 09:22:00

聚合物是二十一世纪最常用和最著名的材料之一。然而，纯聚合物不足以用于需要巨大强度和优异耐热性的行业。因此，热塑性复合材料成为首选，创造这些新型材料将需要克服诸如高能消耗、昂贵的材料成本、可靠性和可回收性等障碍。　　碳纤维（CF）因其重量轻、高温承载强度高、密度低、模量高和耐化学性好等优异特性而引起了研究人员的关注。CF也是一种独特的材料，具有高强度重量比、低毒、可回收、无腐蚀性和良好的耐磨性。一般来说，CF具有显著的电气、物理、机械和热特性。而热塑性复合材料是指以热塑性聚合物（如聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚酮酮（PEKK）和聚醚醚酮（PEEK）等为基体，以各种连续/不连续纤维（如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等）为增强材料而制成的复合材料。　　碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）具有优异的热、机械和电学性能，使其广泛应用于建筑和施工、海事、汽车、体育用品和飞机应用。作为聚合物基体的增强材料，碳纤维是一种很有前途的材料。根据其前体/原料、性质和热处理阶段的加工温度，有几种类型的CF材料。CF也可以根据不连续和连续纤维（纤维在基质内的取向）或其长度进行分类。因此，许多制造商生产不同类型的CF。例如，在要求性能几乎各向同性的大体积应用中使用基于不连续纤维的复合材料。另一方面，基于连续纤维的复合材料广泛用于低体积应用，其中在一个或两个方向上需要更高的机械性能，例如支撑梁、冲击板和安全壳。　　热塑性树脂基碳纤维复材于加工过程中属于结晶、玻璃化转变，而热固性树脂基碳纤维复材发生的则是交联、固化反应。从工艺难度上看，热塑性碳纤维复材在制备过程中比热固性碳纤维复材更难于浸润，但同时优势也很明显：具有成型周期较短、抗冲击性能较好、可焊接、可实现二次成型、结构设计自由度高等优点。　　采用碳纤维增强热塑性复合材料制作而成的各种零部件多具有密度小、强度高、韧性比较高、可回收重复利用等优点，在航空航天、军工、高端机械、医疗等领域都有着广泛的应用前景。

五大碳纤维增强热塑性复合材料
1、碳纤维增强PPS
　　PPS是一种半结晶热塑性树脂，具有卓越的力学性能、耐化学侵蚀性、阻燃性等。碳纤维的增强方式对PPS的性能影响也非常明显，在50%比例以下范围内，碳纤维在热塑性复合材料中的体积比越大，复合材料所呈现出的力学性能越高。　　碳纤维增强聚苯硫醚（PPS）在欧洲发达国家的航空航天和军工领域的应用已经非常广泛，但是国内的应用水平与之相比差距还很大，这一方面是因为受PPS树脂等原材料生产能力的限制，另一方面是受制于碳纤维增强PPS复合材料的应用技术，这既包括复合材料的制备能力，也包括复合材料制品的开发能力。而国内，由东华复材公司团队研发制造的全国产化碳纤维增强聚苯硫醚（CF/PPS）连接片已经成功应用到无人机上。这是国产热塑性复材第一次用作无人机的承力结构件，是推进热塑性复材在无人机领域应用的一次全新尝试和探索。

2、碳纤维增强PI
　　碳纤维增强PI复合材料中，碳纤维是增强体，是主要的承力结构，而树脂基体主要是起连接纤维和传递载荷的作用，可以传递和承受剪切应力，承受垂直于纤维的拉伸和压缩载荷，并保护纤维不受损伤。
　　当复合材料受到外力作用时，碳纤维与基体树脂作为整体，使得碳纤维与基体树脂应变相等，但是由于碳纤维弹性模量比基体树脂弹性模量大得多，当碳纤维和基体树脂处在相同应变时，碳纤维承受应力就会比基体树脂承受应力大得多。因此，碳纤维就承载了复合材料大部分外加应力载荷。
　　不过碳纤维表面光滑且惰性大，比表面积小，边缘活性碳原子少，表面能低，与PI基体浸润性及两相界面粘结性差，易在界面上形成空隙和缺陷，层间剪切强度低，导致界面结合强度低。
　　所以碳纤维增强的PI复合材料性能不仅取决于碳纤维与PI的各自性能，还与它们两者之间的界面粘结性能密切相关。

3、碳纤维增强PA
　　尼龙（PA）作为一种常见的热塑性工程塑料，已有半个多世纪的发展历程，是工程塑料中应用最为广泛的一种，其制品已在汽车、机械、石油化工、纺织、交通、建筑、电子、冶金等工业领域中发挥出重要的作用。
　　尼龙(PA)本身性能优异，但是它也存在一定的缺点，例如吸湿性大、制品尺寸稳定性差，强度与硬度不如金属等，在一定程度上影响了其应用价值。为了克服这些缺陷，可以采用连续碳纤维增强的方式改善其性能。碳纤维增强尼龙这种复合材料充分体现出增强体与基体的性能优势，强度与刚性比未增强的尼龙有显著提高，例如美国Wilson-Fiberfil公司使用40%碳纤维增强PA66，其弯曲强度可达2785MPa，拉伸强度可达到317.2MPa，将纯PA66树脂的拉伸强度提高了十倍。在高温环境下这种复合材料蠕变小，尺寸稳定性好，更耐磨。

4、碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）复合材料
　　PEEK作为新兴的高分子聚合物在国内一直处于实验室研发阶段。2002年国内陆续出现可以量产的企业，但是产品质量较国际标准还是有一定差距。近年国内产品质量有质的提升,其产品质量达到国际标准，为纤维增强PEEK复材的开发提供了有力的支持。　　碳纤维增强PEEK复合材料就是一种以特种工程塑料聚醚醚酮（PEEK）为连续相树脂基体，以碳纤维（CF）为分散相增强体的复合材料。由于现阶段连续碳纤维增强热塑性复合材料多用于航空航天、卫星、军工等领域，特别是碳纤增强PEEK复合材料在日本、美国以及欧洲等诸国均属于严格禁止出口材料。其相关技术工艺和设备都是高度保密，禁止出口到中国。

5、CF/PEI 复合材料
　　PEI 是一种无定形的高性能聚合物，具有优良的机械性能、电绝缘性、耐辐照性、耐高低温及耐磨性能。不同 CF 取向的 CF/PEI 复合材料具有不同的摩擦性能，拉伸模量、韧性和应变。通过改性过程，可以提高了 CF 与 PEI 基体的界面作用，使得材料断裂时纤维拔出的数量大大减少，CF/PEI 复合材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量和弹性系数等均有所提高。

　　热塑性复合材料目前在技术状态上呈现出显著的成熟与创新。这些材料因其独特的性质，如重量轻、强度高、可回收性和加工灵活性，已在多个行业中得到广泛应用。国外已经开始成规模使用，以TenCate、Victrex 等为代表的材料提供商，以 Automated Dynamics 为代表的自动化装备提供商，以 KVE、TPRC、FOKKER 等为代表的制造研究单位，以空客、波音等为代表的航空应用企业，已经成体系发展，技术日益完善。同时，目前的趋势显示，热塑性复合材料正在朝着性能更优、成本更低和更环保的方向发展。特别是在航空航天、汽车制造、建筑和电子产品等领域，这些材料正扮演着越来越重要的角色。