“更好，更強(qiáng)，更穩(wěn)定”是材料領(lǐng)域不變的法則，熱塑性碳纖維復(fù)合材料就能夠更好的提升纖維的性能，使其能夠在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。熱塑性碳纖維跟熱固性碳纖維一樣，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗蠕變等性能之外，還具有更高的材料韌性以及損傷容限，就可以應(yīng)用到飛機(jī)等高端領(lǐng)域中的特殊場(chǎng)景中去。那本文我們就來看看關(guān)于熱塑性碳纖維復(fù)合材料的知識(shí)。
這里我們來看看國(guó)內(nèi)率先完成連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)廠家智上新材的技術(shù)經(jīng)理來給大家?guī)黻P(guān)于熱塑性碳纖維復(fù)材的全知識(shí)類解析。
基本概念
熱塑性碳纖維也是碳纖維復(fù)合材料的一種，這里面還有短切、長(zhǎng)切等，屬于熱塑性碳纖維的細(xì)分賽道，這種材料的研發(fā)耗時(shí)耗財(cái)，但它關(guān)系到國(guó)防實(shí)力，是國(guó)外對(duì)我們的卡脖子技術(shù)，所以研究該材料勢(shì)在必行。先看看關(guān)于熱塑性碳纖維的基本材料概念，很多人可能還不是很清楚。
碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維絲束作為增強(qiáng)體和樹脂基體組成，通過樹脂粘合碳纖維絲束從而達(dá)到更好的性能表現(xiàn)。
傳統(tǒng)的熱固性樹脂的粘接性比較好，所以整個(gè)的復(fù)材結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，那熱塑性碳纖維就是通過熱塑性樹脂作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，熱塑性樹脂由線性高分子聚合物組成，在一定的條件下發(fā)生溶解、熔融的時(shí)候只是發(fā)生物理變化，不同于熱固性樹脂的化學(xué)變化，這種物理變化，能夠重新塑形，也就具備了可回收的性能優(yōu)勢(shì)�，F(xiàn)階段眼睛的熱塑性樹脂有聚酰胺(尼龍6)、聚苯硫醚(PPS)，聚醚醚酮(PEEK)等，其中聚醚醚酮樹脂(PEEK)+碳纖維熱塑性復(fù)合材料在眾多領(lǐng)域中備受關(guān)注，整個(gè)的耐熱性能更好，生物相容性更好，被譽(yù)為未來人形機(jī)器人的核心材料，也因?yàn)闃O其突出生物相容性能夠在尖端醫(yī)療如骨科植入中帶來新的希望，它不同于金屬材料的冰冷感，還能夠帶來更好的舒適性。
我們?cè)谶M(jìn)行熱塑性碳纖維跟熱塑性碳纖維對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，整個(gè)的熱塑性碳纖維復(fù)材帶來的性能優(yōu)勢(shì)更高，不單純是強(qiáng)度性能更好，熱塑性碳纖維復(fù)材還具有非常好的加工和成型優(yōu)勢(shì)、還具備損傷容限高、介電常數(shù)高、儲(chǔ)藏期無限制，具有優(yōu)良的可循環(huán)性能、可循環(huán)利用、不污染環(huán)境的特點(diǎn)。下圖就是有關(guān)于熱塑性復(fù)材的可再生修復(fù)的圖。
制備困難
按理說，如此突出的熱塑性碳纖維復(fù)材應(yīng)該是大家哄搶的材料，然而該材料現(xiàn)如今的應(yīng)用還不多，主要集中在航空飛機(jī)上面，這其實(shí)就是因?yàn)樗闹苽潆y度比較高。主要集中在原材料、成型、浸漬到應(yīng)用成本上面的難度。我們這里說的是智上新材這種高性能的連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)材。區(qū)域與現(xiàn)在市場(chǎng)上面的粉末、短切碳纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料，因?yàn)樗鼈兊男阅懿⒉荒芎芎玫匕l(fā)揮出碳纖維與高性能熱塑性樹脂的雙向優(yōu)勢(shì)。
在材料上面，碳絲的選擇很重要，要結(jié)合物理知識(shí)進(jìn)行調(diào)整，整個(gè)的碳絲束跟樹脂比例如何，碳絲表面應(yīng)該怎么處理，才能更好的保證熱塑性樹脂浸漬時(shí)候更容易更徹底。
在成型上面，制備過程中中的溫度如何把控，不同溫度下，浸漬的情況大不同，也會(huì)直觀的影響到復(fù)材的性能;擠出過程塑化以及流動(dòng)性是否相匹配;注塑壓力如何給到，這些又要結(jié)合材料本身的情況，又要我們的制備設(shè)備要跟得上才能完成。
在浸漬上，如何解決樹脂流動(dòng)性的問題成為了關(guān)鍵，常見的就是通過改性來讓熱塑性樹脂流動(dòng)更好，這里面需要化學(xué)知識(shí)的積累和實(shí)驗(yàn)，并且要考慮到，浸漬完成后的界面強(qiáng)度是否能夠滿足要求，不能光浸漬完成，但是性能得不到保障，那又得不償失。
在實(shí)際應(yīng)用上也有難度，整個(gè)的熱塑性碳纖維制備中，實(shí)驗(yàn)成本高，這需要大量的資金，這也是為什么想要進(jìn)入這個(gè)行業(yè)的公司有很多，但是堅(jiān)持下來的很少，這里不得不說智上新材率先完成熱塑性碳纖維量產(chǎn)，其中的艱辛和堅(jiān)持都功不可沒。實(shí)際應(yīng)用中，這樣的高性能材料，損傷容限又很關(guān)鍵，往往應(yīng)用下，需要一個(gè)比較長(zhǎng)的驗(yàn)證周期，讓這樣的材料應(yīng)用不能快速完成。
除此之外，你包括在制備過程中，整個(gè)的工藝、設(shè)備參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，獲得更多的性能，這既需要實(shí)際經(jīng)驗(yàn)有需要強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)加持下才能完成。像國(guó)外東麗公司，這么多年下，碳絲的生產(chǎn)還在不斷的調(diào)整，才能一直占據(jù)市場(chǎng)龍頭地位。以及生產(chǎn)中的回收到清洗的難點(diǎn)，都是其制備的困難點(diǎn)。
展望
碳纖復(fù)材是我國(guó)“十四五計(jì)劃”重點(diǎn)材料之一，也是國(guó)家“卡脖子”材料。這種材料能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼或者鋁，減重效率可達(dá)到20%-40%，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛青睞。飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料約占起飛總重量的30%左右，對(duì)于軍用飛機(jī)，減重可節(jié)省燃油、擴(kuò)大作戰(zhàn)半徑、提高戰(zhàn)場(chǎng)生存力和戰(zhàn)斗力;對(duì)于客機(jī)，減重可節(jié)省燃油、提高航程和凈載能力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
現(xiàn)如今的空客、波音到我們國(guó)產(chǎn)的飛機(jī)上大量的使用碳纖維材料，但更多的是內(nèi)部件。從以往的重量高、油耗高、強(qiáng)度低得到轉(zhuǎn)化。熱塑性碳纖維復(fù)材的加入后，就提供更高的性能優(yōu)勢(shì)，能夠在動(dòng)力元件、結(jié)構(gòu)元件上得到應(yīng)用，具有了可回收、成型快、韌性更好、損傷容限更高的性能優(yōu)勢(shì)，屬于新型“綠色材料”也是未來航空航天領(lǐng)域的全新發(fā)展方向。
行業(yè)現(xiàn)狀
熱塑性碳纖維的市場(chǎng)全領(lǐng)域的應(yīng)用還不完全，現(xiàn)階段還是以小批量定制為主，那我們通過以為碳纖維復(fù)合材料的大市場(chǎng)數(shù)據(jù)來看整個(gè)的行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀。
高性能的熱塑性碳纖維主要的群體集中在航空飛機(jī)領(lǐng)域中，我們通過下圖國(guó)內(nèi)外軍機(jī)以及民機(jī)的復(fù)合材料使用圖看，我國(guó)的市場(chǎng)還是比較缺乏，因此市場(chǎng)前景還是非常廣闊。
國(guó)內(nèi)外飛機(jī)中復(fù)合材料應(yīng)用率
市場(chǎng)規(guī)模上，2022年全球樹脂基碳纖維復(fù)材的需求量達(dá)到20.8W噸，預(yù)計(jì)到2025年將會(huì)達(dá)到29W噸，主要整漲點(diǎn)就是在航空、飛機(jī)、無人機(jī)領(lǐng)域中。
2022年全球樹脂基碳纖維復(fù)材銷售收入（10億美元）
2022年我國(guó)樹脂基碳纖維復(fù)合材料需求（噸）
我們國(guó)內(nèi)2022年樹脂基碳纖維復(fù)材需求114.45w噸，銷售收入為1449億元，其中航空航天銷售收入達(dá)816億元。那后續(xù)的增長(zhǎng)點(diǎn)就會(huì)是熱塑性碳纖維的加入，更高性能的下碳纖維復(fù)材占比將會(huì)進(jìn)一步提升。熱塑性碳纖維國(guó)外技術(shù)封鎖，國(guó)產(chǎn)化替代下的熱塑性碳纖維必然會(huì)成為新的增長(zhǎng)趨勢(shì)。
現(xiàn)階段的熱塑性碳纖維廠家
熱塑性碳纖維將會(huì)是碳纖維復(fù)材的高性能代表材料，國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)都是積極應(yīng)對(duì)，這里面有國(guó)外的巨頭企業(yè)，如日本東麗、美國(guó)赫氏、日本帝人。也有我們國(guó)內(nèi)的技術(shù)研發(fā)企業(yè)，如中復(fù)神鷹、中簡(jiǎn)科技、中航高科、各大科研所以及現(xiàn)如今以T700-12K碳絲量產(chǎn)的智上新材廠家。
整個(gè)的熱塑性碳纖維復(fù)合材料技術(shù)還有很長(zhǎng)的路要走，要積極的應(yīng)對(duì)各種可能，苦心專研，是實(shí)現(xiàn)碳纖維材料快速超越國(guó)外的彎道，期待國(guó)產(chǎn)化熱塑性碳纖維的崛起之路。
