熱塑性碳纖維比熱固性碳纖維貴嗎？

    談到碳纖維，可能很多人并不知道它的本來的面目長什么模樣，其實(shí)它就是碳的高分子聚合物，外觀看上去就是黑色的一團(tuán)，而我們看到的碳纖維絲是經(jīng)過加工編織后的形態(tài)。碳纖維看似平凡無奇，實(shí)則性能卓越，是航空航天領(lǐng)域中非常需要的一種高性能材料。碳纖維產(chǎn)業(yè)在發(fā)展，碳纖維技術(shù)也在突破，熱塑性和熱固性是目前討論最多的2種，熱固性碳纖維已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而熱塑性碳纖維是未來的方向。

    未來可著重發(fā)展的3種熱塑性碳纖維簡介

    其實(shí)熱塑性碳纖維和熱固性碳纖維指的都是碳纖維復(fù)合材料，是碳纖維絲和樹脂基體融合后形成的物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的復(fù)合材料，其中熱塑和熱固代表的是樹脂基體材料的2種分類。熱固性碳纖維復(fù)合材料在當(dāng)下已經(jīng)有了諸多應(yīng)用，性能非常出色，而熱塑性碳纖維復(fù)合材料在性能上表現(xiàn)更好，且具備可回收利用的巨大優(yōu)勢，是未來碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。下面的這3種熱塑性樹脂是全球碳纖維企業(yè)都在著重研究的對象。

    1、聚醚醚酮（PEEK）：聚醚醚酮剛性高、尺寸穩(wěn)定性好、線膨脹系數(shù)小、能承受極大的應(yīng)力，不會因時(shí)間的延長而產(chǎn)生明顯的延伸，而且其密度小，加工性能好，適宜于對精細(xì)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(dá)到250攝氏度，在這樣的高溫環(huán)境下，其力學(xué)性能基本不受影響。另外聚醚醚酮還有較好的生物相容性，未來可以應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域中的人體植入部分。

    2、聚苯硫醚(PPS)：聚苯硫醚力學(xué)性能較好，還具有不錯的耐腐蝕性和自阻燃性等，所以常常被用作各類高性能復(fù)合材料的基體材料。碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)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(dān)外力載荷的能力也就越強(qiáng)。

    3、熱塑性聚酰亞胺(TPI)：熱塑性聚酰亞胺不僅保留了傳統(tǒng)熱固性聚酰亞胺的高強(qiáng)度、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、介電性好、抗輻射等特性，而且在韌性和熱加工成型方面更具有突出優(yōu)勢，除了熱模壓成型外，還可以采用擠出或注射成型的方式。

    熱塑性碳纖維比熱固性碳纖維貴嗎？

    從技術(shù)難度來說，熱塑性碳纖維復(fù)合材料更高，這也是為什么當(dāng)下熱塑性碳纖維未能大批量產(chǎn)出的根本原因。從商業(yè)的角度來說，物以稀為貴，那熱塑性碳纖維的價(jià)格自然也會被熱固性碳纖維高，想要打破這個規(guī)律，只有從技術(shù)上進(jìn)行突破。

    熱塑性碳纖維復(fù)合材料想要實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，就繞不開下面的2個問題，這是碳纖維絲束和熱塑性樹脂浸潤及后續(xù)加工中必須會碰到的實(shí)際問題，目前第一個問題就已經(jīng)卡殼了，只能通過不斷的實(shí)驗(yàn)和改良進(jìn)行完善。

    1、展絲不充分，樹脂浸潤效果差：

    連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的制作過程包含多道工序，其中展紗是比較靠前的一步，展紗不充分，后續(xù)制備的熱塑性碳纖維預(yù)浸料將會出現(xiàn)一個較大的問題，那就是樹脂浸潤效果很差。

    不同于熱固性樹脂，熱塑性樹脂高溫熔化后具有非常大的黏度，如果碳纖維原絲沒有展紗充分，樹脂就只能浸潤到接觸到的外側(cè)的碳纖維原絲，中間被包裹住的碳纖維原絲得不到樹脂的浸潤，制成的熱塑性碳纖維預(yù)浸料分布不均勻，性能強(qiáng)度不平均，如果拿這種預(yù)浸料加工碳纖維制品，性能得不到保證。

    2、溫度、壓力與比例控制不當(dāng)，性能不穩(wěn)定：

    想要制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料，還需要解決樹脂浸潤碳纖維的問題，上面提到熱塑性樹脂高溫下粘性很高，對應(yīng)的浸潤難度也就會加大，因此想要達(dá)到充分浸潤，難度不小。

    目前熱塑性樹脂浸潤碳纖維的方法有兩大類，分別是預(yù)浸漬法和后浸漬法，預(yù)浸漬法包含熔融浸漬法和溶液浸漬法，后浸漬法包含薄膜層疊法、粉末浸漬法、纖維混雜法等。從工藝可行性和預(yù)浸料性能質(zhì)量兩方面考量，多選用熔融浸漬法來制備連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料。

    熔融浸漬法是將碳纖維通過熔融的熱塑性樹脂基體后得到浸漬的方法，可節(jié)省材料、減少對環(huán)境的污染，同時(shí)能精確控制預(yù)浸料中基體的重量分?jǐn)?shù)。但熔融浸漬法需要對溫度、壓力和材料的比例有非常嚴(yán)格的控制，需要經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)，找到合適的數(shù)據(jù)和比例才能制備出性能穩(wěn)定的碳纖維預(yù)浸料。

    全球碳纖維巨頭東麗、帝人、赫式、西格里等大廠都在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究，全球大型的熱塑性樹脂廠家索爾威、威格斯、贏創(chuàng)等也在做相關(guān)方面的實(shí)驗(yàn)。其實(shí)咱們國內(nèi)也有不少企業(yè)在從事類似的研究和實(shí)驗(yàn)，智上新材料就是其中的一家。相信隨著人才、資金、設(shè)備和精力的不斷投入，熱塑性碳纖維復(fù)合材料的難關(guān)肯定會被一一攻破的，到那時(shí)熱塑性碳纖維的價(jià)格就會趨于平緩。

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