发展高性能热塑性碳纤维复材的现实需求

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说到发展高性能热塑性碳纤维复材的现实需求随着热固性碳纤维复合材料的竞争趋于白炽化,一些制造商开始尝试碳纤维材料应用的新途径,以此打破发展瓶颈。我公司在热固性碳纤维开发的基础上率先进入高性能热塑性碳纤维开

发展高性能热塑性碳纤维复材的现实需求

发展高性能热塑性碳纤维复材的现实需求

过去几年,全球热塑性复合材料市场需求增长迅猛,美国复合材料制造者协会ACMA在复合材料增长计划CGI旗下专门创立了一个新的工作组,通过向终端用户和热固性复合材料制造商大力推广和宣传热塑性复合材料,试图为这一类新产品开辟出大宗疆域。反观国内市场,高性能热塑性复合材料的应用还是“剑未离鞘”,无论是制造商还是客户,似乎都还没有正式进入状态。

不过,随着热固性碳纤维复合材料的竞争趋于白炽化,一些制造商开始尝试碳纤维材料应用的新途径,以此打破发展瓶颈。我公司在热固性碳纤维开发的基础上率先进入高性能热塑性碳纤维开发的行列,高性能热塑性碳纤维复材也逐步引发了业界的关注。

高性能碳纤维增强复合材料采用的树脂基体在耐热性和机械强度方面都展示出普通热固性树脂难以比拟的性能优势。例如在航天、航空领域中使用的热塑性碳纤维复合材料,其树脂基体的Tg值须大于177,在机械强度方面,通常要求抗拉强度大于70MPa,抗张模量大2GPa,个别情况下要求能分别达到100 MPa和3GPa,另外,材料良好的韧性决定了更好的损伤容限和更轻的结构,这对于飞机控制表面和机身之类的薄型结构来说特别重要。在此情况下,只有高性能热塑性碳纤维复材才能完成这样的使命。

不仅在材料本身的性能方面有更大的优势,热塑性碳纤维复材通过熔融实现重塑的特点,也使其与热固性碳纤维复材产生了差异:首先,热固性碳纤维复合材料需要用紧固件或者胶粘结的方式实现部件之间或者与其它金属件的连接,热塑性部件却能直接焊接在一起,省去了紧固件的重量和成本,这为碳纤维实现轻量化增加了有力的砝码;其次只要熔融就可以重塑使复合材料的循环利用成为可能,虽然还没有批量回收再利用的案例,但是热塑性复合材料的再生性具备一定的理论基础。例如,对热塑性聚酰胺复合材料的再生粒料性能进行了测量,把它们与新生等同物进行比较,发现它们仍然具有85%的原始内在性能,这为如何绿色环保地利用碳纤维复合材料提供了新思路;再者,这种固化方式能够在相对更短的周期时间里生产出厚而复杂的制件,使热塑性碳纤维增强复合材料比热固性的生产效率提高了许多倍。

既然如此,为什么国内在明显落后于国际市场的情况下,发展高性能热塑性碳纤维的速度还如此迟缓?

说到底,还是两个问题,一是技术,二是成本。从技术层面说,热固性树脂在固化前可以比较容易地转变为低粘度状态,浸渍纤维不那么困难。而高端热塑性复合材料不一样,高性能热塑性树脂本身具更高的基体粘度,材料的流动性不会象某些低粘度树脂那样好。可以说,大多数的高性能塑性树脂都是难溶难融甚至不溶不融的,这就给复合材料的树脂浸渍和成型加工带来了挑战。而且,加工温度越高,在生产过程中树脂越容易热氧化或降解。因此,热塑性树脂的高粘度成为其成型最大的困难,这对生产设备也提出了更高的要求。

从成本方面看,因为这类产品专为耐受高温或者其它特定性能而开发,技术研发上的投入比传统热固性体系要多很多,而且,高性能热塑性树脂基体价格更昂贵,例如我们采用的PEEK、PI树脂等,这都是普通热固性树脂价格的许多倍,再加上碳纤维材料,成本方面就比较惊人了。

但是国内的市场应用需求仍然存在,并且也在持续增长,一直靠国际市场提供的产品来满足国内市场需求很明显是不可能的,只有加大技术和资金投入,在学习和借鉴国际同行的基础上,不断尝试和摸索出高性能热塑性碳纤维复材的制造和应用之道,才能有效降低成本,开拓出更大的应用空间,这也是国内发展高性能热塑性碳纤维复材的现实意义所在。

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