發展高性能熱塑性碳纖維復材的現實意義

08-21

發展高性能熱塑性碳纖維復材的現實意義

過去幾年，全球熱塑性複合材料市場需求增長迅猛，美國複合材料製造者協會ACMA在複合材料增長計劃CGI旗下專門創立了一個新的工作組，通過向終端用戶和熱固性複合材料製造商大力推廣和宣傳熱塑性複合材料，試圖為這一類新產品開闢出大宗疆域。反觀國內市場，高性能熱塑性複合材料的應用還是「劍未離鞘」，無論是製造商還是客戶，似乎都還沒有正式進入狀態。

不過，隨著熱固性碳纖維複合材料的競爭趨於白熾化，一些製造商開始嘗試碳纖維材料應用的新途徑，以此打破發展瓶頸。無錫智上新材在熱固性碳纖維開發的基礎上率先進入高性能熱塑性碳纖維開發的行列，高性能熱塑性碳纖維復材也由此引發了業界的關注。

高性能碳纖維增強複合材料採用的樹脂基體在耐熱性和機械強度方面都展示出普通熱固性樹脂難以比擬的性能優勢。例如在航天、航空領域中使用的熱塑性碳纖維複合材料，其樹脂基體的Tg值須大於177，在機械強度方面，通常要求抗拉強度大於70MPa，抗張模量大2GPa，個別情況下要求能分別達到100 MPa和3GPa，另外，材料良好的韌性決定了更好的損傷容限和更輕的結構，這對於飛機控制表面和機身之類的薄型結構來說特別重要。在此情況下，只有高性能熱塑性碳纖維復材才能完成這樣的使命。

不僅在材料本身的性能方面有更大的優勢，熱塑性碳纖維復材通過熔融實現重塑的特點，也使其與熱固性碳纖維復材產生了差異：首先，熱固性碳纖維複合材料需要用緊固件或者膠粘結的方式實現部件之間或者與其它金屬件的連接，熱塑性部件卻能直接焊接在一起，省去了緊固件的重量和成本，這為碳纖維實現輕量化增加了有力的砝碼；其次只要熔融就可以重塑使複合材料的循環利用成為可能，雖然還沒有批量回收再利用的案例，但是熱塑性複合材料的再生性具備一定的理論基礎。例如，對熱塑性聚醯胺複合材料的再生粒料性能進行了測量，把它們與新生等同物進行比較，發現它們仍然具有85%的原始內在性能，這為如何綠色環保地利用碳纖維複合材料提供了新思路；再者，這種固化方式能夠在相對更短的周期時間裡生產出厚而複雜的製件，使熱塑性碳纖維增強複合材料比熱固性的生產效率提高了許多倍。

既然如此，為什麼國內在明顯落後於國際市場的情況下，發展高性能熱塑性碳纖維的速度還如此遲緩？

說到底，還是兩個問題，一是技術，二是成本。據無錫智上新材新成立的熱塑性研發部劉工介紹，熱固性樹脂在固化前可以比較容易地轉變為低粘度狀態，浸漬纖維不那麼困難。而高端熱塑性複合材料不一樣，高性能熱塑性樹脂本身具更高的基體粘度，材料的流動性不會象某些低粘度樹脂那樣好。可以說，大多數的高性能塑性樹脂都是難溶難融甚至不溶不融的，這就給複合材料的樹脂浸漬和成型加工帶來了挑戰。而且，加工溫度越高，在生產過程中樹脂越容易熱氧化或降解。因此，熱塑性樹脂的高粘度成為其成型最大的困難，這對生產設備也提出了更高的要求。

成本方面，「產品專為耐受高溫或者其它特定性能而開發，技術研發上的投入比傳統熱固性體系要多很多」，無錫智上新材的市場部負責人稱，「高性能熱塑性樹脂基體價格更昂貴，例如我們採用的PEEK、PI樹脂等，這都是普通熱固性樹脂價格的許多倍，再加上碳纖維材料，成本方面就比較驚人了。」

但是國內的市場應用需求仍然存在，並且也在持續增長，一直靠國際市場提供的產品來滿足國內市場需求很明顯是不可能的，只有加大技術和資金投入，在學習和借鑒國際同行的基礎上，不斷嘗試和摸索出高性能熱塑性碳纖維復材的製造和應用之道，才能有效降低成本，開拓出更大的應用空間，這也是國內發展高性能熱塑性碳纖維復材的現實意義所在。