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连续碳纤维增强热塑性复合材料:技术突破与挑战

作者:澎湃新闻·澎湃号·政务点击:98 发布时间:2024-01-20

轻质高强是新材料发展的永恒主题

复合材料是具有高比强度和高比刚度以及良好的抗疲劳、抗腐蚀和耐候性等优异性能,使得在各行各业得到广泛应用。热塑性复合材料作为复合材料的重要部分,由于其具有成型速度快、可回收、损伤容限高等优势,近年来发展非常迅速。随着大飞机 C919 于 2016 年的总装下线,航空热塑性复合材料开始进入公众视野。

图1纤维增强热塑性复合材料在航空构件上使用的发展历程

从图1中可以知道聚醚酰亚胺(Polyetherimide, PEI)、聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide, PPS)、聚醚醚酮(Polyetheretherketone, PEEK)三大航空热塑性塑料作为复合材料基体应用于航空航天领域始于上世纪 90 年代。2012 年 Fokker 公司首次将 CFF/PEEK 复合材料用在 TAPAS 的抗扭箱上。

PEEK作为新兴的高分子聚合物在国内一直处于实验室研发阶段。2002年国内陆续出现可以量产的企业,但是产品质量较国际标准还是有一定差距。近年国内产品质量有质的提升,其产品质量达到国际标准,为纤维增强PEEK复材的开发提供了有力的支持。

图2.碳纤/PEEK带材

连续碳纤维增强热塑性预浸带,由于力学性能优异、可重复回收利用使其得到广泛应用,特别是在欧美、日本等国家。目前连续性碳纤维增强热塑树脂预浸带制备技术,全球范围内相对领先的是以NASA为代表的航天航空研究机构,以及以日本东丽为代表的部分碳纤维生产厂家。

由于现阶段连续碳纤维增强热塑性复合材料多用于航空航天、卫星、军工等领域,特别是碳纤增强PEEK复合材料在日本、美国以及欧洲等诸国均属于严格禁止出口材料。其相关技术工艺和设备都是高度保密,禁止出口到中国。

图3.碳纤/PEEK带材及制品

连续碳纤维增强热塑树脂预浸带的方法

(1)熔融浸渍法

连续碳纤维放在纱架后,经过辊轮调节使其受力均匀地进入分丝系统,在这个系统中,碳纤维经过展开辊和预热后充分展开后进入浸渍系统中,在高温高压下,熔融的热塑性树脂渗入并浸润碳纤维,待定型后再牵引收卷得到连续碳纤维增强热塑性预浸带。

(2)溶液浸渍法

选用合适的溶剂溶解树脂基体,制备成溶液,然后用这种溶液浸渍碳纤维束,通过烘干使溶剂挥发,最后压实制得预浸料。不过这种方法有一定的局限性,不是所有的热塑性基体都能溶于有机溶剂。

(3)粉末流化浸渍法

将碳纤维丝束展宽展薄;然后通过一个充满了 10μm 的微小粉末的静电流化床,使树脂粉末均匀地涂覆在纤维表面,经过烘箱加热以及热压辊压延使树脂充分浸润纤维,从而得到热塑性片材。

(4)粉末悬浮浸渍法

先把树脂粉末制成悬浮液,纤维丝束浸泡在悬浮液里和树脂充分浸渍,然后经过烘箱烘干并使树脂属于熔融状态,再进入热压辊压制和冷却即可制成预浸带。

(5)混编法

纤维混编法是先将树脂加工纺丝,把树脂纤维和碳纤维混合并编织成织物。


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