热塑性复合材料的加工技术现状、应用及发展趋势

热塑性复合材料的加工技术现状、应用及发展趋势

摘要：热塑性复合材料（FRT）具有密度低、强度高、加工快、可回收等突出特点，属于高性能、低成本、绿色环保的新型复合材料，已部分替代价格昂贵的工程塑料、热固性复合材料(FRP)以及轻质金属材料（铝镁合金），在飞机、汽车、火车、医疗、体育等方面有广阔应用前景。本文概述了热塑性复合材料(FRT)的种类、结构和性能特点，并详细介绍了国内外最新加工技术、应用及发展趋势，以及未来面临的障碍和挑战。

复合材料(Composite Material)分为两种主要类型：热固性（聚合物树脂基）复合材料（FRP)和热塑性（聚合物树脂基）复合材料(FRT)，其中，FRT(如GFRT和CFRT, Fiber Weight%:40-85wｔ%)具有密度低（1.1-1.6g/cm3）、强度高、抗冲击好、抗疲劳好、可回收、加工成型快、造价低等突出特点，属于高性能、低成本、绿色环保的新型复合材料。

通过选择原材料(纤维和树脂基体)的种类、配比、加工成型方法、纤维(GF,CF)含量和纤维(单丝和编织物)铺层方式进行多组份、多相态、多尺度的宏观与（亚）微观的复合过程（含物理过程和化学过程）可以制备FRT，并根据要求进行复合材料结构与性能的设计和制造，达到不同物理、化学、机械力学和特殊的功能，最终使各种制品具有设计自由度大、尺寸稳定、翘曲度低、抗疲劳、耐蠕变等显著优点，部分替代价格昂贵的工程塑料、非环保F RP和轻质金属材料（如铝镁合金）。目前，FRT广泛应用在电子、电器、飞机、汽车、火车、能源、船舶、医疗器械、体育运动器材、建筑、军工等工业产品，近年，更随着全球各国对节能减排、环保、可再生循环使用等要求的不断提高，FRT获得更快速发展，相关新材料、新技术、新设备不断涌现。

基本种类

根据制品中的最大纤维保留尺寸大小，FRP(GFRT和CFRT)可分为：(1)非连续纤维增强热塑性复合材料(N-CFT)，包括短切纤维增强工程塑料(SFT，最大纤维保留尺寸0.2-0.6mm)；

(2)长纤维增强热塑性复合材料(LFT-G，LFT-D，最大纤维保留尺寸5-20mm)；(3)连续纤维增强热塑性复合材料(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics, CFT，最大纤维保留尺寸>20mm;包括：玻纤毡增强型热塑性复合材料GMT)。

传统成型工艺——注塑及模压,可以实现N-CFT非结构件或半结构部件的制造（如汽车工程塑料部件），尽管与CFT相比，机械力学性能相差较大，但是能够满足一般民用工业产品的性价比使用要求，因此市场容量巨大，发展速度快，制造技术与应用相对成熟。美国R TP、美国泰科纳（Ticona）、日本川畸(Kawasaki)、沙伯基础工业(Sabic)等国外公司己经实现LFT碳纤维复合材料工业化生产，并应用在需求高强度、轻量化的汽车非结构零部件，用以替代部分铝合金材料零部件，同时还具有导电、导热、耐磨、电磁屏蔽等特殊功能,这也已成为国内外改性塑料公司争先开发与应用的新领域。2012年北京纳盛通公司(NST)采用

自主创新的专利技术在国内实现LFT碳纤维复合材料（粒材）的产业化生产，并应用在风电叶片、LED显示模块支架、电动汽车轮毂等产品中。

CFT(主要包括GFRT和CFRT)是一种具有更高性能的轻量化新材料，也是近年来新技术发展最快的复合材料之一，可分为四种类型：1)连续单丝纤维单向排列的CFT（又称单向连续纤维增强热塑性复合材料预浸带）。美国欧文斯科宁(OCV)公司开发的连续单丝玻纤增强热塑性浸淆PP带，可用于制备热塑性复合输送管道和模压厚度可控的热塑性片材或型材，具有突出的机械力学性能和加工成形性；2)玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)。天津工业大学董卫国发明了更轻质的针刺玻纤毡增强PP热塑性复合材料(S-GMT)，通过不同长纤维尺寸(15-25mm)的短切针刺毡作为纤维缠绕骨架结构来实现增强作用；3)连续纤维编织布增强热塑性复合材料(2D-CFT)，包括前浸溃和后浸渍、原应聚合浸渍、混合纤维纱浸渍等各种先进浸渍工艺技术与复合制备方法，提高了两相界面结合强度与力学性能；4)多角度、多相复合结构的连续纤维编织布增强热塑性复合材料(3D-CFT)，包括编织物(带、布、毡)结构、三明治夹层实心结构与三明治夹心发泡结构、Z型多层立柱结构等新型CFT复合材料结构设计，以及热塑性树脂基体(Resin)的“原位”和“离位”增强增韧、结构/功能一体化的设计与全自动化智能制造技术发展，从而提高高性能的连续碳纤维增强热塑性复合材料(CFRT)的综合性能。

新加工技术

1）注射浸渍成型技术(In situ T-RTM)

根据不同CFT(GFRT和CFRT)的特性，熔融、预浸、成形等成型阶段对设备和加工工艺都有其特定的技术要求。热塑性树脂基体(Resin)粘度高、浸润纤维难，因此热塑性预浸料制备是CFT与相关产品制备技术的关键技术与难点。

2013年，注塑机制造商恩格尔（Engel）成功研发原位聚合反应的注射浸渍成型技术(I n situ thermoplastic reaction injection molding,简称In situ T-RTM)，使用注塑工艺技术将单体原位聚合与连续纤维的热熔浸渍过程同步完成，实现自动化、可控化、高效率的融熔浸渍过程与复合成形过程一体化，从而减少工艺流程、提高产品性能。其原理是将低粘度系数的单体ε-己内酰胺(或CBT，环氧烷)在高速低压下注射到连续纤维(GF、CF)周围，然后在模具中单体原位聚合反应生成PA-6，随后注塑进入模具中成为产品或制件,成形时间为60-120秒。因类似热固性聚合物树脂(FRP)成形过程的RTM工艺技术原理，故又称为热塑性聚合物树脂(Resin)成形的RTM工艺技术(即T-RTM)。与热固性HP-RTM相比，优势在于：(1)原材料和制造成本低；(2)部件的抗冲击韧性更优越；(3)产品易于回收再利用，且具有可焊接性；(4)树脂基体(Resin)粘度低似水，更容易连续纤维(带、布、毡)的浸渍过程与提高效率。早在德国K 2010展会中，恩格尔（Engel）和克劳斯玛菲(Krauss Maffei)分别第一次在两个复杂结构部件的成型单元中现场展示，再次证明了这项技术的可行性。 nnect type="rect" gradientshapeok="t" o:extrusionok="f">