1. 碳纖維熱塑性復合材料概述
碳纖維(CF)是由有機纖維在惰性氣氛中經高溫碳化制得,具有高強度、高比模量、優異的熱性能和化學穩定性以及阻尼減震降噪等特性,是優異的增強體材料。熱塑性復合材料與傳統的熱固性復合材料相比,成型周期短、化學成分毒性小,且具有高韌性、抗沖和損傷容限、預浸料存儲期長、量產能力強等優點。以CF為增強體的熱塑性復合材料結合了CF和熱塑性樹脂的性能優點, 且成型后不發生化學交聯,能夠二次熔化和再成型,便于材料的回收及循環利用,解決了熱固性CF材料在使用期滿后的處理問題。
熱塑性樹脂基碳纖維復材于加工過程中屬于結晶、玻璃化轉變,而熱固性樹脂基碳纖維復材發生的則是交聯、固化反應。從工藝難度上看,熱塑性碳纖維復材在制備過程中比熱固性碳纖維復材更難于浸潤,但同時優勢也很明顯:具有成型周期較短、抗沖擊性能較好、可焊接、可實現二次成型、結構設計自由度高等優點。
采用碳纖維增強熱塑性復合材料制作而成的各種零部件多具有密度小、強度高、韌性比價高、可回收重復利用等優點,在航空航天、軍工、高端機械、醫療等領域都有著廣泛的應用前景。
2. 碳纖維增強復合材料優勢
碳纖維增強復合材料,不同于其他使用傳統纖維,如玻璃纖維或芳香族聚酰胺纖維等的FRP復合材料,CFRP復合材料的優良性能包括:
重量輕——傳統玻璃纖維增強復合材料采用連續的玻璃纖維,其含量為70%(重量玻璃/總重量),每立方英寸的密度通常為0.065磅。
強度高——CFRP復合材料盡管重量輕,然而相比于玻璃纖維復合材料,每單位重量的CFRP復合材料卻具有更高的強度和更大的硬度。而與金屬材料相比時,這一優勢則更加突出。例如,經驗告訴我們,CFRP材料相比于鋼材,在等強度條件下,其重量只有鋼的1/5。可以想像為什么所有汽車制造企業都在研究使用碳纖維來代替鋼材,從而提高其產品性能。
當CFRP復合材料與鋁,質量最輕的金屬之一,相比較時,根據基本假設,等強度的鋁材,其重量約為碳纖維體的1.5倍。
3. 碳纖維增強熱塑性復合材料案例
碳纖維增強熱塑性復合材料常用的樹脂基體有:聚醚醚酮PEEK、熱塑性聚酰亞胺TPI、聚苯硫醚PPS、聚醚酮酮PEKK等。下面就選取碳纖維增強熱塑性聚酰亞胺、碳纖維增強聚苯硫醚和碳纖維增強聚醚醚酮這三種碳纖維增強熱塑性復合材料進行簡要介紹。
作為新一代的高性能特種工程塑料,熱塑性聚酰亞胺不僅保留了傳統熱固性聚酰亞胺的高強度、耐高溫、耐化學腐蝕、介電性好、抗輻射等特性,在韌性和熱加工成型方面更具有突出優勢,除了熱模壓成型外,還可以采用擠出或注射成型的方式。
碳纖維的加入能顯著提高熱塑性聚酰亞胺的力學性能,當碳纖維的體積分數達到30%時,材料的拉伸和彎曲強度大約為純樹脂的2-3倍。碳纖維增強的方式還賦予了熱塑性聚酰亞胺以更加出色的耐熱性能和機械性能,使之成為更高等級的耐磨損、耐腐蝕的高性能材料。
聚苯硫醚也是頗受復合材料行業青睞的熱塑性樹脂之一,其在力學性能、耐腐蝕性、自阻燃性等方面都表現優異,所以常常被用作各類高性能復合材料的基體材料。碳纖維增強聚苯硫醚復合材料的各項力學性能也受碳纖維含量的影響,在一定閾值下,碳纖維含量越大,承擔外力載荷的能力也就越強。實驗證明,在高達100℃的溫差條件下,連續性碳纖維增強PPS復合材料板的ILSS仍能呈現出較好的穩定性。
聚醚醚酮剛性高、尺寸穩定性好、線膨脹系數小、能承受極大的應力,不會因時間的延長而產生明顯的延伸,而且其密度小,加工性能好,適宜于對精細度要求高的部件。聚醚醚酮本身就是熱塑性樹脂中耐熱性較好的一種,長期的工作溫度甚至能達到250攝氏度,在這樣的高溫環境下,其力學性能基本不受影響。采用碳纖維作為增強體可以進一步提升聚醚醚酮材料在強度、剛性和耐磨性等方面的性能表現,對于制品的整體使用壽命也有明顯的延長作用。相關實驗證明,碳纖維材料的占比在25%-30%時,以聚醚醚酮為基體的復合材料的耐磨性有顯著提高,碳纖維材料的加入能有效提升其應用價值和應用范圍。
國內的碳纖維增強熱塑性復合材料相關產業起步較晚,以預浸料為例,市場上仍以玻璃纖維增強PP、PA等通用塑料熱塑性預浸料為主,碳纖維增強熱塑性預浸料尚未實現規模化批量生產。
從航空航天到工業制造的各個行業,都在尋找創新的方法來減輕多余的重量,在實現輕量化的同時,還能提供與同類產品相當的安全性和可靠性,實現功能集成與減重雙重目標。例如,配備電驅動或燃料電池引擎的汽車能夠通過減輕結構件或動力總成部件的重量,使其續航里程得以增加,最直接的案例就是智上新材為汽車設備商定制的碳纖維動力電池箱體,比金屬箱體減重三分之一;工業機械中的重型、高負載以及耐用的工業設備,可以通過采用高強度與性能更好的材料實現輕量化、輕薄的精密結構,智上新材為紡織、印刷、造紙、鋰電池等行業提供的碳纖維輥,在提高生產效率、減少能耗的同時,還因為碳纖維復合材料所提供的良好尺寸穩定性、耐化學腐蝕性、耐疲勞性而獲得優化的結果。事實證明,碳纖維的這種輕量化應用價值將大幅度推動其在多種行業中的應用比例。
為了滿足某些行業對特定項目的材料需求,碳纖維復合材料零部件制造企業需要不斷開發出具有特定應用性能的碳纖維復合材料,例如耐高溫性、阻燃性、自潤滑性、電磁波透過性等不同的性能特征,以此擴大碳纖維復合材料的應用范圍。而且,碳纖維復合材料的這種可調適的應用能力反過來又會引導工業制造等領域進行設備升級。
航空、軌道交通以及汽車制造在材料選擇時通常會考慮乘客的安全性,阻燃類碳纖維復合材料更符合這類應用需求;航天工程和特種工業設備的一些零部件需要耐受很高的工作溫度,智上新材為這類設備提供耐高溫碳纖維復合材料零部件的定制服務,這類碳纖維產品可承受數百至上千攝氏度的不同工作溫度,同時還能保持低熱膨脹系數;許多工業設備要求零部件材料具有足夠的耐磨性和自潤滑性,智上新材開發的連續CF增強PEEK等復合材料有效提升了零部件的自潤滑和耐磨性能。而且,這種連續碳纖維增強熱塑性復合材料產品可以通過選擇不同種類的基體材料、含量不同的碳纖維以及添加工藝改變或調節復合材料的實際性能。可以說,工業等領域的應用需求帶動了碳纖維復合材料的發展。
如果從材料全生命周期的角度來審視,熱固性碳纖維復合材料必將面臨挑戰。為了應對該問題,現在主要有兩個方向的解決方案:一是針對當下市場上的碳纖維復合材料進行可回收性研究;二是直接采用熱塑性樹脂基替代熱固性樹脂基,例如智上新材開創了以連續碳纖維為增強體,以中高端熱塑性樹脂為基體的熱塑性碳纖維復合材料零部件解決方案。這種熱塑性樹脂基體與熱固性樹脂基體不同,具有可回收和二次利用的基本條件。
如今,這種新興的連續碳纖維增強熱塑性復合材料制造技術正在奮力趕超傳統的碳纖維增強熱固性復合材料,正在為航空航天、軍工、軌道交通,智能機械和高端醫療市場中的特定用戶提供具有更高性能的應用產品。