簡史  炭纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料是近20年發(fā)展起來的，首先出現(xiàn)的是以尼龍、聚烯烴等為基質(zhì)的普通熱塑性樹脂復(fù)合材料。這類材料和未增強(qiáng)的樹脂比較，具有強(qiáng)度高、模量高、熱穩(wěn)定性好、線(體)膨脹系數(shù)小、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，但這類樹脂通常存在著彈性模量低、軟化溫度低、抗溶劑性能差和纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，所以這種復(fù)合材料不適于做承力結(jié)構(gòu)。
 

       20世紀(jì)70年代末，80年代初以聚芳醚酮為基礎(chǔ)的新型工程熱塑性樹脂的研制成功，克服了普通熱塑性樹脂的很多不足，這些樹脂韌性好、沖擊強(qiáng)度高、耐有機(jī)介質(zhì)、模量也比較高，一些性能超過常用熱固性樹脂。因此，連續(xù)纖維增強(qiáng)新型熱塑性樹脂復(fù)合材料得到引人注目的發(fā)展，大有要代替部分熱固性樹脂復(fù)合材料而用于航空航天及各種工業(yè)部門的趨勢，目前熱塑性樹脂復(fù)合材料的研究和開發(fā)仍然是發(fā)達(dá)國家復(fù)合材料研究的熱門課題。
 

       分類  根據(jù)增強(qiáng)纖維長度不同可以分為以下3類。
 

     短纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料  系將纖維和樹脂一起混練，在該過程纖維折斷并均勻地分散于樹脂中，或?qū)⒍糖欣w維與樹脂粉料直接混合，這類纖維長度一般在4．76mm以下，限于注射成型和模壓成型。
 

       長纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料  可分為無規(guī)纖維片材沖壓復(fù)合材料和注射模塑長纖維復(fù)合材料。前者復(fù)合材料纖維長度約l2.7mm纖維無規(guī)定方向，通常是一種片材，經(jīng)過沖壓或高速度模壓制成復(fù)合材料零件。后者典型纖維長度6.3～12.7mm，是用纖維浸漬方法制造長纖維注射模塑復(fù)合材料。長纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料由于工藝技術(shù)開發(fā)的限制而沒有得到廣泛應(yīng)用。
 

       連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料  用熱塑性樹脂浸漬連續(xù)纖維單向紗、單向帶或各種織物，并經(jīng)過模壓或拉擠、纏繞和熱壓罐等工藝方法制成復(fù)合材料。所用樹脂主要是高性能工程熱塑性樹脂。
 

       原材料  熱塑性復(fù)合材料所用炭纖維因成型工藝不同，纖維形式有別，可分為短纖維、長纖維和連續(xù)纖維粗紗、織物等。所用樹脂包括價(jià)格低廉的聚烯烴類，如聚丙烯、聚乙烯，性能居中的聚酰胺、熱塑性聚酯、聚碳酸酯等。高性能的熱塑性樹脂聚醚酰亞胺、聚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮、熱塑性聚酰亞胺以及類似聚合物。典型熱塑性樹脂及其性能見表l。

      制造工藝  在熱塑性復(fù)合材料成型過程中無化學(xué)變化，通過加熱、加壓、冷卻即可得到所需材料，工藝過程快，主要受熱交換制約，制造工藝隨增強(qiáng)體的長度不同而異，工藝步驟見表2。

     
       (1)短纖維復(fù)合材料采用注射模塑工藝、模壓工藝、沖壓工藝和擠出工藝等。成型過程包括以下步驟：1)加熱原材料，形成可流動態(tài)；2)由復(fù)合材料熔體成型制品；3)冷卻制品到低于樹脂硬化溫度；4)從模具中取出制品。其工藝情況見表3。

      (2)長纖維復(fù)合材料雖然材料尺寸和纖維長度大于短纖維復(fù)合材料，但兩者的工藝性能很類似，都很容易用注射模塑法成型，系將成型材料通過拉擠工藝制成直徑約3mm的棒，再切成長度9.5～12.6mm，然后用注射模塑法制成復(fù)合材料制品。
 

       也可將12.7～38.1mm長的纖維，同聚合物粉末、表面活性劑以及其他輔料和水一起于一大的混合器中混合，形成泥漿狀物，在該過程中纖維束分散成絲狀，然后將泥漿狀物泵入高速輸送機(jī)，經(jīng)過真空脫水、干燥等步驟，得到無規(guī)纖維氈，采用沖壓工藝或高速模壓法制成復(fù)合材料制件。
 

       (3)連續(xù)纖維復(fù)合材料成型，先將增強(qiáng)體和樹脂制成預(yù)浸料，再加工成復(fù)合材料。
 

       制備預(yù)浸料可用熔融浸漬法或溶液浸漬法，前者使用如圖所示的擠出機(jī)和專用拉模，浸漬前，先將纖維束用適當(dāng)?shù)姆椒ǚ稚㈤_來，以便熔融樹脂能浸透到纖維束中，為了保證預(yù)浸料中纖維均勻分布，必須施加適當(dāng)張力，保持纖維互相平行。溶液浸漬是把樹脂溶在合適的溶劑中，調(diào)整樹脂濃度和溶液溫度,以控制溶液黏度,縣委經(jīng)過溶液后,在通過擠壓裝置,除去過剩的樹脂,經(jīng)加熱器除去溶劑.所用增強(qiáng)體可以是單可以是單向纖維束、單向織物或各種其他織物。
 

     也可以將熱塑性樹脂紡絲制成纖維，再與炭纖維混紡，或?qū)崴苄詷渲w維和炭纖維混編成各種織物型混雜復(fù)合材料。

      通過粉末技術(shù)如靜電流化床工藝，使樹脂粉末通過靜電流化床，粉末帶電，在可控的壓力下流態(tài)化，分散開的纖維束和帶電的樹脂粉末接觸，微細(xì)的樹脂粉末和炭纖維結(jié)合。

纖維混雜和粉末工藝，纖維和樹脂在壓實(shí)階段，通過高溫、高壓和經(jīng)歷較長時(shí)間，實(shí)現(xiàn)樹脂和纖維的浸漬。

 

     
      連續(xù)纖維熱塑性樹脂復(fù)合材料成型方法根據(jù)零件形狀、樹脂類型、預(yù)浸料的形式?jīng)Q定，工藝方法和熱固性復(fù)合材料類似，包括真空袋熱壓罐工藝、纏繞工藝、拉擠工藝、沖壓成型、模壓成型、隔膜成型等。結(jié)晶聚合物在成型過程中，冷卻速度對復(fù)合材料的韌性、剛性及抗溶劑能力都會帶來影響，慢速冷卻，復(fù)合材料中樹脂結(jié)晶度大、模量高、抗溶劑性好、快速冷卻、復(fù)合材料中樹脂結(jié)晶度小、韌性好。
 

       性能    炭纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料除了具有樹脂基復(fù)合材料共有的比強(qiáng)度、比模量高的性能外，同熱固性復(fù)合材料比較，先進(jìn)熱塑性樹脂復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是：良好的韌性、較高的抗沖擊性能、貯存壽命長、不要求特殊的貯存和運(yùn)輸條件、容易修理、可以重復(fù)使用有較高價(jià)值，部分熱塑性樹脂復(fù)合材料工作溫度高，一些復(fù)合材料成型可采用金屬加工的沖壓工藝，材料質(zhì)量穩(wěn)定性好。但熱塑性復(fù)合材料也有其不足，主要是：成型溫度高，例如以PEEK為基質(zhì)的復(fù)合材料，成型溫度高達(dá)400℃；成型壓力大，有的樹脂復(fù)合材料成型壓力達(dá)30MPa，因樹脂黏度大、纖維不易被浸透，復(fù)合材料中容隙含量高，部分樹脂抗溶劑性能差，對周圍應(yīng)力裂紋敏感。
 

       炭纖維增強(qiáng)普通熱塑性樹脂復(fù)合材料性能見表4。炭纖維增強(qiáng)高性能熱塑性樹脂復(fù)合材料性能見表5。不同基質(zhì)和其復(fù)合材料性能比較見表6。
 

注：1．炭纖維為非連續(xù)纖維。

        2．表面電阻率：

式中R_S為電阻，Ω；D₁為測量電極的直徑；D₂為環(huán)電極的內(nèi)徑。

注：炭纖維為AS4或相當(dāng)于AS4。

       應(yīng)用    短纖維及長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，雖不能用于主要承力結(jié)構(gòu)，但因兼有強(qiáng)度高、韌性好和加工容易等優(yōu)點(diǎn)，可以代替一般材料，如金屬、玻璃和部分熱固性復(fù)合材料。并且已經(jīng)或?qū)⒁蔀槠嚬I(yè)、電子工業(yè)、體育器械、設(shè)備及其他工業(yè)部門用材的有力競爭者。
 

       連續(xù)纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料，主要用于航空航天工業(yè)，制造各種飛機(jī)的非承力件，次承力件和主承力件。炭纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料用于制造飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件；炭纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料已制成直升機(jī)尾翼、軍用飛機(jī)機(jī)身等。利用這類材料阻燃性能優(yōu)異、燃燒時(shí)煙密度小、熱釋放速率低、低毒等特性，是新一代飛機(jī)艙內(nèi)材料的有力競爭者。人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)、導(dǎo)彈等為了提高性能、減輕重量，這類材料也是最佳選材之一。在運(yùn)動器材、機(jī)械制造、化學(xué)工業(yè)、原子能工業(yè)、汽車制造業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、船舶制造和能源工業(yè)都有廣闊的應(yīng)用前景。
 

       展望    熱塑性復(fù)合材料尤其是炭纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料還沒有廣泛使用的主要原因是制造成本太高。影響成本的因素是原材料價(jià)格貴，加工工作量大，工藝過程消耗高。為此，降低熱塑性復(fù)合材料制造成本現(xiàn)在是，將來仍是科技工作者的研究課題。隨著原材料性能不斷提高、價(jià)格不斷降低、制造工藝的自動化、快速化，工藝過程壓力減4、，溫度降低，熱塑性復(fù)合材料固有的優(yōu)異性能將會充分發(fā)揮，這類復(fù)合材料將進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。