碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)因其卓越的力學(xué)性能和加工靈活性，在航空航天、汽車制造等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。特別是當(dāng)采用連續(xù)碳纖維作為增強(qiáng)相時(shí)，這種材料的性能優(yōu)勢更為明顯。在不斷的科研中就能發(fā)現(xiàn)，本文我們結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)來剖析連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料相比短切碳纖維增強(qiáng)材料為何更受關(guān)注。
兩種不同長度的碳纖維：一種是短切碳纖維(SCF)，長度約為150-200微米;另一種是連續(xù)碳纖維，長度為預(yù)浸帶長度。進(jìn)行一系列力學(xué)性能測試，包括拉伸、彎曲和壓縮強(qiáng)度。
性能比對(duì)
兩種碳纖維復(fù)合不同天數(shù)下的細(xì)胞毒性
力學(xué)性能：結(jié)果顯示，連續(xù)碳纖維的PEEK復(fù)合材料(CF-PEEK)在拉伸、彎曲和壓縮強(qiáng)度方面都遠(yuǎn)超含有短切碳纖維的PEEK復(fù)合材料(SCF-PEEK)。數(shù)值上CF-PEEK的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度能夠達(dá)到SCF-PEEK的3倍。
模量匹配：兩種復(fù)合材料的彈性模量與人骨的彈性模量非常接近。除此之外，研究的原材料CFPEEK材料在細(xì)胞毒性試驗(yàn)和血液相容性評(píng)估結(jié)果中，均表現(xiàn)出輕微的毒性，沒有溶血的不良反應(yīng)，進(jìn)行全身毒性試驗(yàn)的組織病理切片分析，也表明了該材料對(duì)于生物體沒有明顯的急性毒性。促使了碳纖維+PEEK復(fù)材制造的制品在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用變得尤為重要，因此能夠受到該領(lǐng)域的特別關(guān)注。
界面性能：掃描電子顯微鏡觀察顯示，在連續(xù)碳纖維PEEK的內(nèi)部，碳纖維與PEEK基體之間的界面結(jié)合更多，進(jìn)行纖維拔出過程，需要更大的拉伸力，讓其性能也遠(yuǎn)超SCF-PEEK，纖維拔出的現(xiàn)象相比SCF-PEEK要少很多。
優(yōu)勢分析
兩種碳纖維復(fù)材斷裂截面對(duì)比
連續(xù)碳纖維與短切碳纖維在長度上有不同，連續(xù)碳纖維在復(fù)合材料中是連續(xù)不斷的，而不是被剪切成一定長度。這意味著在力學(xué)性能上，連續(xù)碳纖維復(fù)合材料會(huì)表現(xiàn)出更好的性能，具體原因如下：
- 連續(xù)性帶來的力學(xué)優(yōu)勢：連續(xù)碳纖維能夠沿整個(gè)復(fù)合材料的長度方向不間斷地傳遞應(yīng)力，最大限度地利用了碳纖維的高強(qiáng)度和高模量特性。在進(jìn)行PEEK與CFPEEK對(duì)比中，添加了連續(xù)CF的PEEK材料性能整體能夠提升接近2倍。
- 更少的界面問題：相比于短纖或者引申到的長纖碳纖維，連續(xù)碳纖維在復(fù)合材料中不存在纖維端部，這減少了纖維端部引起的應(yīng)力集中問題，從而降低了裂紋的形成可能性。
- 更均勻的應(yīng)力分布：連續(xù)碳纖維能夠更均勻地分布應(yīng)力，避免了由纖維斷裂或纖維端部造成的局部應(yīng)力集中，提高了材料的整體強(qiáng)度和剛度。
- 更佳的纖維-基體相互作用：連續(xù)碳纖維與基體之間形成的界面更加穩(wěn)定，減少了纖維拔出的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度。
能夠看出，想要CFPEEK復(fù)合材料想要高性能的重點(diǎn)，跟纖維與樹脂浸漬有非常大的關(guān)系，關(guān)系到材料性能優(yōu)劣。同時(shí)該重點(diǎn)也是連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制備的難點(diǎn)，需要克服熱塑性樹脂低熔體流動(dòng)速率和高成型溫度不利于樹脂對(duì)纖維的浸漬以及熱塑性預(yù)浸料在常溫環(huán)境下無黏性、硬挺度高等一系列的問題。率先跨過這一門檻的國內(nèi)碳纖維企業(yè)——智上新材料科技給出的答案是：需要結(jié)合設(shè)備、工藝、產(chǎn)品等多方面進(jìn)行創(chuàng)新性優(yōu)化，不能固守成規(guī)，才能有效避免了傳統(tǒng)制備工藝為降低樹脂黏度而帶來的韌性和疲勞性能方面的缺陷，創(chuàng)造性的生產(chǎn)出滿足市場需求的高性能CFRTP材料，在即將到來的第二十七屆國際復(fù)材展上，智上新材料也將會(huì)亮相國內(nèi)率先完成的CFRTP編織帶復(fù)材產(chǎn)品，進(jìn)一步拉進(jìn)了該材料與國外技術(shù)的距離。
未來，再通過技術(shù)的不斷改進(jìn)，進(jìn)一步提升碳纖維與熱塑性樹脂之間的界面結(jié)合，能夠給我們帶來更環(huán)保更高性能的復(fù)材，也使其在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
部分內(nèi)容參考文獻(xiàn)：doi.org/10.1080/09205063.2019.1659711
