熱塑性復合材料的世界中,纖維增強樹脂基復合材料(FRPC)憑借其輕質、高強度、高模量、優(yōu)異耐蝕性及熱穩(wěn)定性等多重優(yōu)勢,已經(jīng)在航空航天、國防軍工、軌道交通乃至風力發(fā)電等高新技術領域展現(xiàn)出了舉足輕重的地位。在這其中,纖維增強熱塑性復合材料(FRTP)因其獨特的力學性能(如高韌性和抗沖擊性)、高效的生產(chǎn)周期(可焊接)、適應高溫環(huán)境(采用PEEK、PPS等特種工程塑料為樹脂基體)以及優(yōu)良的設計自由度(能制成復雜精細形狀的制品),而逐漸嶄露頭角。尤其引人注目的是,當我們將目光投向碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRTP)時,連續(xù)碳纖維(CF)因其卓越的性能特質,使CRTP在諸多應用中顯現(xiàn)出了非凡潛力。
連續(xù)CF增強熱塑性復合材料較之短CF增強熱塑性復合材料(SCRTP)和長CF增強熱塑性復合材料(LCRTP),其力學性能尤為出眾,因此在眾多領域備受矚目。然而,預浸料作為連續(xù)CF增強熱塑性復合材料(CFRTP)的制造基石,其核心技術——纖維與樹脂間的充分浸漬仍然是有待解決的關鍵問題。目前,小絲束預浸料雖在性能上相對穩(wěn)定,但成本較高,且在制備高性能預浸料時效率偏低,因此,研發(fā)低成本大絲束預浸料的高效制備工藝,勢在必行。國內也有不少企業(yè)對于該材料進行研發(fā),取得了不錯的進展,比如智上新材料科技就成功的研發(fā)了連續(xù)碳纖維和高性能PEEK、PPS浸漬的單向帶,打破國外對我們的技術壁壘,在研究中發(fā)現(xiàn)碳纖維的含量、長度、排列方式及成型技術等因素,均對復合材料的摩擦學性能產(chǎn)生重要影響。
耐摩擦性能是碳纖維增強熱塑性復合材料的一大亮點。在摩擦過程中,應力通過樹脂基體傳遞至碳纖維,碳纖維憑借其天然的高比強度、比模量、耐熱耐蝕性及抗摩擦性,有效承載負荷,極大地提升了復合材料的整體力學表現(xiàn)。
值得注意的是,連續(xù)碳纖維在復合材料中的排列有序性和長度,直接決定了其摩擦性能的優(yōu)勢。與短碳纖維或粉末碳纖維增強的熱塑性復合材料相比,連續(xù)碳纖維增強復合材料在摩擦系數(shù)和磨損率上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。連續(xù)碳纖維在樹脂基體中形成的定向排列和連續(xù)結構,能有效提高熱導率,增強纖維間的連接點,形成穩(wěn)固的框架結構,防止碳纖維剝離,從而顯著降低材料表面的蠕變現(xiàn)象,提升復合材料的耐磨性。
然而,制備連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料并非易事,熱塑性樹脂較高的熔融黏度、碳纖維表面的化學惰性以及兩者界面相互作用的不足,都構成了挑戰(zhàn)。尤其是在高溫下,碳纖維容易在樹脂中團聚,影響復合材料的整體性能。此外,碳纖維含量的把控尤為關鍵:適度的碳纖維含量可以大幅提升熱塑性樹脂復合材料的強度和剛性,但過高的含量則可能導致樹脂無法充分浸漬碳纖維,造成界面結合不牢固,引發(fā)氣泡、孔洞等問題。
面對現(xiàn)代智能設備、高端醫(yī)療和新能源產(chǎn)業(yè)對高性能材料日益增長的需求,熱塑性樹脂材料在耐熱耐光性、尺寸穩(wěn)定性等方面的局限性逐漸顯現(xiàn)。最新的研究成果紛紛證實,連續(xù)碳纖維的引入對熱塑性樹脂的力學性能產(chǎn)生了顯著的促進作用。某項研究顯示,在復合材料結晶過程中,質量分數(shù)達30%的連續(xù)碳纖維起到了異相成核的作用,為樹脂提供了豐富的晶核來源。當連續(xù)碳纖維與熱塑性樹脂交融一體時,復合材料的拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量相較于純樹脂分別提高了2-3倍,足見碳纖維的添加對樹脂力學性能的大力提振。
除力學性能的顯著提升外,在高溫、濕度、磨耗等嚴苛環(huán)境條件下,連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料依然保持著出色的增強效果和物理性能。連續(xù)碳纖維絲束如同盔甲般保護著復合材料,既有效降低了熱膨脹系數(shù),又極大提升了耐磨性和韌性。因此,連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料的崛起與發(fā)展,開辟了一個嶄新的天地,創(chuàng)造了無限的市場機遇與應用潛力。
這也是智上新材料科技克服重重困難,積極研發(fā)該材料的目的,在不斷的優(yōu)化連續(xù)碳纖維與樹脂基體的界面結合,充分發(fā)揮連續(xù)碳纖維在復合材料中的獨特優(yōu)勢,從而為熱塑性復合材料的耐磨性提升注入了強大動能,現(xiàn)如今已經(jīng)量產(chǎn)連續(xù)碳纖熱塑性復材單向帶,并且跟多家企業(yè)形成合作,為相關行業(yè)帶來了前所未有的高性能材料解決方案。