纤维增强热塑性复合材料是以热塑性聚合物为基体,与增强材料(如玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维等)通过特定工艺复合而成的一类先进复合材料。
根据纤维增强方式的不同,热塑性复合材料可分为短纤维增强热塑性塑料(SFRT) /长纤维增强热塑性塑料(LFRT)/ 连续纤维增强热塑性复合材料塑料(CFRT)。
图 热塑性复合材料的组成
其中,与常规热塑性复合材料(如SFRT、LFRT)相比,连续纤维增强热塑性复合材料中的纤维是连续的,且树脂对纤维单丝的浸渍更充分,因此具有更加优异的机械性能如高的拉伸强度、弯曲强度/模量、高低温冲击强度等,在交通运输、航空航天、国防、消费电子、工业和体育用品领域具有广阔的应用前景。
下面,我们来简单了解一下连续纤维增强热塑性复合材料及其应用。
一、连续纤维增强热塑性复合材料简介
连续纤维增强热塑性复合材料(Continuous Fibre Reinforced Thermoplastics,简称CFRTP)是指以连续纤维作为增强材料、以热塑性树脂为基体,通过特殊工艺制造的高强度、高刚性、高韧性的新型复合材料。
图 连续纤维增强热塑性复合材料单向带示意图,图源特谱勒
树脂基体:大部分热塑性树脂都可作为CFRTP的基体,从通用树脂PP/PE/PA到特种树脂PPS/PEEK等均可根据材料的性能和成本加以选用。
增强纤维:玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、植物纤维、玄武岩纤维等。
其中,树脂基体赋予了CFRTP优良的力学性能、热性能、耐化学腐蚀性和易加工性能,而增强纤维主要决定了复合材料的机械性能。
图 连续纤维增强热塑性复合材料预浸料,图源亨博展台
CFRTP的性能优势:
1)预浸料在长常温下可长期保存;
2)具有优良的综合性能,特别是在高温、高湿度下仍能保持良好的力学性能;
3)成型方法众多,生产效率高;
4)制品可重复加工、再生利用。
自20世纪70年代初开发以来,CFRTP越来越受到各国重视,发展速度迅速;我国从80年代中后期也开展了CFRTP的研制工作,目前正处于快速发展阶段。
连续纤维增强热塑性复合材料行业的集中度较高,极高的技术壁垒、巨额的资金投入使得真正具有连续纤维增强热塑性复合材料研发和规模化生产能力的公司并不多。
国外企业:塞拉尼斯、东丽、帝人、恩骅力、Syensqo世索科、埃万特、旭化成、盛禧奥等。
国内企业:金发科技、江苏奇一、浙江遂金、多鸣、中集创赢、中广核俊尔、澳盛科技、振石华美、亨博复材等。
二、连续纤维增强热塑性复合材料的应用
根据美国 Lucintel 公司早期分析报告显示,连续纤维增强热塑性复合材料的市场产值在 2019 年可达 2.167 亿美元,用于多种市场,诸如航空航天、交通运输、体育器材、工业用品和防弹材料等。近年来,连续纤维增强热塑性复合材料在笔记本电脑外壳等消费类电子、增强管道和新能源汽车领域开始应用,取代金属材质,达到轻量化的目的。
1、汽车工业
在汽车轻量化趋势的替代材料中, CFRTP密度较低、强度较大,并且耐磨、耐热、耐腐蚀,性价比较高,可用于制造汽车结构件、内外饰件,如汽车座椅底板、门内板、底护板、电池壳体、A柱、前端模块、刹车踏板等。
图 宝马iX前围板和后窗框架部件采用全新方法由CFRTP制成
图 CFRTP应用于梅赛德斯-奔驰 S 级轿车辅助系统电池支架
图 CFRTP应用于梅赛德斯-奔驰 S 级轿车车载电源电池负载舱
图 CFRTP应用于东风汽车轻型卡车工具箱
图 热塑性复合材料电池盒上盖,图源纳磐新材料
图 CFRTP材料应用于汽车轮毂插片
图 CFRTP材料应用于汽车底部护板组件
图 CFRTP材料应用于车门模块
图 理想汽车、劳士领、福瑞科共同研发的CFRT材料应用于燃油箱底护板产品
图 欧德橡塑CFRT应用于陕重汽充电载货车新能源电池框架护罩
图 CFRTP材料应用于梅赛德斯-奔驰 CLE Cabrio敞篷车车顶梁
2、体育休闲
轻质高强的CFRTP材料是休闲娱乐应用的理想之选,应用领域包括运动鞋、自行车架、球棒、球杆、桨叶等。
图 CFRTP材料应用于Brooks运动鞋
图 热塑性复合材料 (TPC)自行车部件
图 玻纤增强热塑性复合材料应用于Isle Pioneer Pro 桨板
3、消费类电子
CFRTP可用于手机、笔电、耳机外壳,比传统的镁铝合金轻,且具有与金属材料同样良好的抗弯和抗扭刚度,满足消费电子产品轻量化需求。
图 TenCate Cetex®TC920应用于HP Spectre 13 Ultrabook D-cover
图 帝人热塑性复合材料应用于VAIO VISION+™ 便携式显示器
4、航空航天
图 热塑性复合材料单向带应用于机翼上方紧急出口门演示器
图 热塑性复合材料多功能机身演示器(MFFD)
图 东丽CFRTP材料应用于空客 A380 发动机吊架盖板
5、 其他应用
此外,CFRTP材料还广泛应用于轨道交通、集装箱、光伏、管道、无人机、家电等领域。
图 CFRTP材料应用于柔性光伏背板
图 PA12 碳纤维单向带应用于TPC管
图 CFRTP材料应用于集装箱