熱塑性碳纖維復合材料的性能優勢

過去,熱塑性碳纖維復合材料主要應用于航天航空領域,例如用于直升機的地板、機身結構、固定機翼、尾翼以及垂尾根部的整流罩等部位。隨著許多高端領域對高性能復合材料的要求越來越高,熱塑性碳纖維復合材料開始逐步展現出自身的特殊優勢,為越來越多的產業提供零部件服務。

與熱固性碳纖維復合材料不同,熱塑性碳纖維復合材料在樹脂基體、工藝流程和性能方面存在一定的差異。首先,熱固性碳纖維復合材料大多采用環氧樹脂等作為樹脂基體,而熱塑性碳纖維復合材料包括聚酰胺(PA)、聚醚醚酮(PEEK)、PPS、聚酰亞胺(PI)、聚醚酰亞胺(PAI)等,熱塑性樹脂不受儲存期限制、不需低溫貯存,具有良好的可循環性、可回收和重復利用。

熱塑性樹脂的成型過程主要是一個簡單的熔融和凝膠的過程,即將材料加熱到一定的熔點,然后凝固,待冷卻后就可以基本成型,如果需要,只要再次加溫就可以實現二次成型,這與熱固性碳纖維復合材料制品的成型只能是一次性的不同。

熱固性碳纖維復合材料在制作過程中發生的是化學反應,生產周期長達幾個小時,而熱塑性碳纖維復合材料的制作過程是一個相變過程,生產周期只需要幾分鐘到幾十分鐘。因為生產周期相對縮短很多,所以生產效率就會成倍提高,不僅可以實現批量生產,更有實現自動化連續生產的條件。

不過,制作熱塑性碳纖維復合材料制品對工藝要求更高。蘇州挪恩復材在成立之初就設立了有關熱塑性碳纖維復合材料的研究項目,并取得了一些研究成果,根據挪恩復材的介紹,熱塑性碳纖維復合材料一般至少需要400℃以上的加工溫度,而普通的環氧碳纖維復合材料只需要200℃以上就可以實現。

熱塑性樹脂在性能方面具有一定的優勢,例如聚醚醚酮的GIC值大約是熱固性環氧樹脂的十倍。在樹脂基復合材料中,樹脂起到固定纖維的作用,同時分擔纖維傳遞的應力,復合材料的熱性能、耐腐蝕性能及加工性能等均由其體現。為了增加材料的強度、剛度等,通過選擇碳纖維材料作為增強體,輔以不同的添加劑種類,以合適的配比、碳纖維鋪層數量與方式、成型方法,制備出具有特殊性能的熱塑性碳纖維復合新材料。

目前,國內的市場還多以熱固性碳纖維復合材料制品為主,能夠生產熱塑性碳纖維復合材料的廠家為數不多,而且多集中在尼龍、PPS等較為普通的熱塑性復合材料方面,在peek、PI等先進熱塑性樹脂與碳纖維結合方面還停留在研究階段,市場上的需求還依靠進口來滿足。

    PEEK、PI樹脂為基體的熱塑性碳纖維復合材料產品展現出密度低、強度高、耐高溫、抗沖擊韌性好、抗疲勞性好、可回收再循環使用、加工成型快等性能優勢,可以在一定程度上替代輕質金屬材料,如鋁鎂合金等,將在航空、軍工、電子、醫療器械、高端制造業等領域中發揮出特殊的作用。

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