來源：SAMPE

作者：姚志佳

一、概述

連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料由于其輕質(zhì)、高剛度、高韌性等特性，在汽車工業(yè)，航空航天，軍工，電子等諸多領域已經(jīng)廣泛的應用。連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）是以連續(xù)纖維作為增強材料，以熱塑性樹脂為基體，通過將熱塑性樹脂熔融浸漬的工藝制造的高強度、高剛性、高韌性的復合材料。可選用的增強材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、植物纖維、以及玄武巖纖維。可以選用的樹脂基體有PP、PE、PA6、PA66、PC、PET、TPU、PPS、PEEK等。根據(jù)產(chǎn)品性能及成型要求的不同，增強材料的形態(tài)可以是單向的，也可以是織物。

盡管短纖維和長纖維熱塑性復合材料占整個熱塑性復合材料市場的主導地位。但由于連續(xù)纖維獨特的特點，近年來國際上連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料市場仍然保持著快速增長，國外行業(yè)巨頭也正將連續(xù)纖維增強的熱塑性復合材料及相關(guān)企業(yè)作為重點開發(fā)方向和并購的首選標的。其中朗盛收購了德國Bond-Laminates、三菱收購QPC、東麗公司收購荷蘭的Tencate；而韓華、巴斯夫、科思創(chuàng)、英力士等化工巨頭也都推出了相應的連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料。

目前，掌握連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料技術(shù)的企業(yè)主要集中在德國、荷蘭、英國、美國等少數(shù)歐美國家。我國有部分企業(yè)掌握了一部分連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料的技術(shù)，但是在連續(xù)纖維增強特種工程塑料復合材料方面，我國與國外依舊存在非常大的差距。

二、連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料的浸潤工藝

（1）混纖紗-TwinTex(Commingled yarn)

制造商：OCV (Saint-Gobain)-TwinTex、巨石-Compofil

（2）熔體浸漬(Melt impregnation)

工藝關(guān)鍵：

①纖維排布、展絲

②熔體浸漬槽

以下是不同熔體浸漬槽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

熔融浸漬工藝的特點是：

①浸潤完全

②制造成本較低

③由于樹脂在熔體槽中停留時間較長容易氧化

（3）粉末浸漬法（Powder impregnation）

工藝特點：

①樹脂需要打成較細的粉末，成本相對較高。

②樹脂含量較難控制。

（4）懸浮浸潤（Slurry impregnation）

主要生產(chǎn)高性能樹脂基復合材料：PEI、PEEK、PAEK、PEKK、PPS、PSU、PVDF等。

（5）液體成型   liquid  infusion

樹脂體系：

PA6(己內(nèi)酰胺陰離子開環(huán)聚合)

丙烯酸樹脂（Elium , Arkema）

該工藝可用的樹脂體系較少，聚合較難控制。

三、連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）的特點：

1、環(huán)境因素小。生產(chǎn)過程排放小、可回收。

2、材料選擇范圍廣。熱固性樹脂僅有幾種，而熱塑性樹脂及其合金品種繁多，滿足不同的需求。

3、儲存方便，儲存時間長。

4、復合材料的耐疲勞性、抗沖擊性能、耐腐蝕性優(yōu)異。

5、材料的密度低，比強度、比剛性大。

6、材料成型快、成型方式多樣化。

7、材料易于焊接。

四、連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料的成型方式

（1）模壓成型

（2）纏繞成型

（3）模內(nèi)注射成型

五、連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料的應用

1、汽車輕量化

（1）商用車輕量化

目前汽車輕量化主要集中在廂式貨車廂板和乘用車次結(jié)構(gòu)件。其中使用以連續(xù)纖維增強PP為外蒙皮的蜂窩板可以替代廂式貨車傳統(tǒng)的玻璃鋼車廂板和金屬車廂板?？煞浅Ｃ黠@的降低廂式貨車整車質(zhì)量。通過有關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計，汽車重量每降低100公斤，每公里的油耗可節(jié)約0.6L，整車質(zhì)量下降10%，燃油效率提高6%-8%，滾動阻力較少10%，燃燒效率提高3%。

以9.6米廂式貨車為例，使用連續(xù)玻璃纖維PP為蒙皮的蜂窩板可對金屬車廂減重1000Kg，可對木夾芯車廂減重800Kg，可對玻璃鋼車廂減重500Kg。按照行業(yè)經(jīng)驗汽車整備質(zhì)量減少1000Kg，每百公里的油耗可降低3-6升，以物流干線車輛每年20萬公里的行駛里程計算，每年每臺車最低可節(jié)約燃油成本52000元。

（連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料蜂窩板新能源汽車）

（2）乘用車輕量化

在乘用車輕量化中，連續(xù)纖維織物增強熱塑性復合材料目前被國外企業(yè)更加廣泛的采用。通過對織物增強的熱塑性復合材料片材的模壓加注塑的工藝使得制件的成本更低、重量更輕且保持良好的物理性能。下圖為國外企業(yè)成型的汽車制件。原產(chǎn)品使用40%玻璃纖維含量的PA6注塑成型，循環(huán)節(jié)拍≤60s，重量為500g。通過使用連續(xù)纖維織物增強熱塑性復合材料和注塑工藝的結(jié)合，使用PP樹脂的連續(xù)纖維織物，注塑30%纖維含量PP改性塑料。最終將該制品的循環(huán)時間降低到39s，重量275g，且成本降低44%。這種成型方式也正在被國內(nèi)企業(yè)熟悉，已有相關(guān)企業(yè)正在對設備及工藝進行研發(fā)。

下圖為不同樹脂的連續(xù)纖維織物增強熱塑性復合材料片材：

（3）模內(nèi)注射成型的相關(guān)制件：

（4）軌道交通的輕量化

在軌道交通領域使用玻璃纖維PP單向帶鋪層的3mm厚薄板經(jīng)過阻燃處理，被應用在棚車內(nèi)襯板用來替代傳統(tǒng)的竹膠板，來增加對棚車廂體的保護，并且大幅度的降低車體重量，最終達到節(jié)能的效果。

（5）交通領域的其他應用

在國外同類產(chǎn)品的也被應用到廂式貨車廂壁板的防擦傷內(nèi)襯板

下圖為使用模壓設備壓制成型的連續(xù)纖維增強聚丙烯復合材料在國外棚車的應用：

2、體育休閑及3C周邊

連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料由于高抗沖擊及成型快速的特點在高端運動鞋、頭盔、拉桿箱、運動器材配件、手機殼等領域。目前耐克喬丹系列是連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料的忠實用戶，其中喬丹11到13代籃球鞋均采用美國PMC公司生產(chǎn)的碳?；炀師崴苄蕴及遄鳛樽愎伟?，其中喬丹11代截止目前依舊是全球銷量最好運動鞋之一，使得越來越多的籃球愛好者了解了碳板。下圖為喬丹籃球鞋及其使用的碳板。

除此以外在銳步等品牌運動鞋中也出現(xiàn)過大量碳玻混編熱塑性碳板。除鞋材以外連續(xù)纖維增強的熱塑性復合材料還被應用在電子產(chǎn)品及體育休閑領域。碳?；炀師崴苄蕴及迳a(chǎn)工藝較為復雜，浸潤難度大，如何將樹脂同時浸潤到兩種纖維里是技術(shù)難點。

以下為連續(xù)纖維熱塑性復合材料在體育休閑及3C領域的部分應用：

3、在航空航天及軍事領域的應用

航天航空領域一般采用高性能的碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維作為其增強材料，使用PEEK、PPS、PES作為樹脂基，一般使用在耐熱不超過425℃的部件。由于這些熱塑性樹脂具有良好的耐溫性，使得其成為熱塑性復合材料領域異?；钴S的研究開發(fā)熱點。

在歐美連續(xù)碳纖維增強的PEEK復合材料在多種戰(zhàn)斗機型上應用于機身腹部壁板、尾翼、前起落架門、發(fā)動機周圍、機身蒙皮等構(gòu)件。

在民用機方面使用碳纖維織物進行增強的PPS復合材料應用于A380 飛機機翼前緣，除了應用于飛機外部零件，飛機內(nèi)部包括座椅架、橫梁、進氣管也使用了PPS復合材料。

在航天領域PEEK連續(xù)纖維復合材料壓制成的反射鏡基板解決了金屬材料制成的反射鏡重量太大設計方案無法實現(xiàn)的問題。

連續(xù)纖維增強的PEEK除了熱塑性材料特點以外，還具備良好的自熄滅性、低煙和燃燒產(chǎn)品無毒等優(yōu)異的阻燃特性。又由于其可透X射線，生物相容性好，抗菌性強，可長期植入人體，并擁有跟骨骼相似的彈性模量，使其在醫(yī)療領域被廣泛的應用。目前可提供該產(chǎn)品的有TenCate、Ticona等。

4、其他待開發(fā)應用領域

高鐵、船舶、風機葉片、高壓氣瓶等

六、結(jié)束語

連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料在我國發(fā)展較晚，第一條真正意義上量產(chǎn)的連續(xù)玻璃纖維增強PP單向帶生產(chǎn)線在09年正式投入生產(chǎn)。經(jīng)過9年的發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)完全掌握了連續(xù)玻璃纖維增強熱塑性樹脂單向帶、0/90°層合板、熱塑性蜂窩板產(chǎn)品的技術(shù)核心，產(chǎn)品無論從質(zhì)量還是價格都可以與國外同行直接競爭。

但是以連續(xù)碳纖維和芳綸纖維作為增強材料的先進熱塑性復合材料（如連續(xù)碳纖維、玻璃纖維、及混編的增強PA6、PA66、PC、PMMA織物等）在2018年之前發(fā)展相對緩慢，在近期國內(nèi)終端市場呈現(xiàn)出活躍的態(tài)勢。國內(nèi)外原材料生產(chǎn)企業(yè)、配套的成型設備企業(yè)均在國內(nèi)大力的對終端市場進行宣傳引導。

更高端的連續(xù)纖維增強特種熱塑性復合材料（如連續(xù)碳纖維的PPS、PEEK單向帶等）在國內(nèi)雖然已經(jīng)有企業(yè)在展會上進行展出，但是從展紗的分散性、厚度、浸潤性等還需要重點解決，才能滿足制件的成型要求。

從整個連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料行業(yè)來看，呈現(xiàn)脫節(jié)的情況。國內(nèi)企業(yè)更多在研究材料，材料做出來后如何去成型，并不是材料企業(yè)的核心能力。但是制件生產(chǎn)企業(yè)最關(guān)心的就是我有了材料如何去成型。所以導致了很多制件生產(chǎn)企業(yè)放棄這種材料的應用。最終迫不得已部分材料生產(chǎn)企業(yè)尋求突破轉(zhuǎn)型去生產(chǎn)最終產(chǎn)品（有的轉(zhuǎn)型是符合市場需求的），公司產(chǎn)業(yè)鏈被拉長，各項負擔增加。

所以連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料在國內(nèi)要達到更大的體量，必須解決各種成型的工藝。在國內(nèi)輕量化、可循環(huán)的綠色環(huán)保趨勢下，連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料將會得到行業(yè)內(nèi)的更多認可。