熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用研究

劉士琦，周紅霞，王 玉，王 勃

（1.黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150040；2.黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱150080）

前 言

在日益強(qiáng)調(diào)環(huán)保的今天，綠色環(huán)保復(fù)合材料受到了人們的極大關(guān)注，其在航空航天、軌道交通、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。綠色環(huán)保復(fù)合材料主要指熱塑性復(fù)合材料。熱塑性復(fù)合材料是用高模量、高強(qiáng)度不連續(xù)纖維或連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性樹脂的一類復(fù)合材料。

目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件一般為熱固性樹脂基復(fù)合材料，缺點(diǎn)為制造工藝復(fù)雜且周期長，制造成本高。另外，熱固性復(fù)合材料最大的問題就是廢物難以回收利用，環(huán)境友好性差，導(dǎo)致其應(yīng)用領(lǐng)域受限[1～3]。熱塑性復(fù)合材料與熱固性復(fù)合材料相比具有很明顯的優(yōu)勢，有望在很多高端領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料。本文就熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)勢、分類、成型技術(shù)及在航空航天、汽車、風(fēng)力發(fā)電等方面的應(yīng)用和未來發(fā)展方向作了簡要介紹。

1 熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)勢

熱塑性復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐熱性能好等特點(diǎn)；其線性分子鏈結(jié)構(gòu)使得聚合物本身還具有優(yōu)異的抗蠕變能力及良好的抗沖擊性能[4]；在較大的溫差下，熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性好，具有優(yōu)異的耐高低溫性能；另外，還可通過聚合物分子結(jié)構(gòu)合理的設(shè)計(jì)使其具有一些特殊的性能，而這些性能是其他傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的（如透波性和吸波性等），所以其具有廣闊的發(fā)展空間[5]。

熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)效率高、成型周期短，主要是由于熱塑性聚合物分子鏈中不含有可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)，因此其在加熱和冷卻過程中僅伴隨著物理變化。某些熱塑性復(fù)合材料的長期使用溫度可達(dá)250℃以上，且耐水性出色，可在高濕環(huán)境下長時(shí)間使用[6]，同時(shí)預(yù)浸料可長期貯存且廢料可回收再利用，存放環(huán)境與時(shí)間靈活，因此一般被稱為“綠色材料”。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，大家普遍認(rèn)為熱塑性復(fù)合材料是一種具有很大發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)用材料，受到眾多領(lǐng)域的廣泛關(guān)注如航空航天、汽車及風(fēng)力發(fā)電等[7]。

2 熱塑性復(fù)合材料的分類

2.1 按增強(qiáng)纖維的種類

按增強(qiáng)纖維種類，熱塑性復(fù)合材料可以分為玄武巖纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料及芳綸纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料等。

2.2 按有效纖維長度分類

按纖維的長度，熱塑性復(fù)合材料可分為短纖維（SFT）、長纖維（LFT）、連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）[8,9]。短玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（SFT）一般是指玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，其應(yīng)用范圍最為廣泛。SFT表現(xiàn)為良好的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械性能、耐磨損及加工流動(dòng)性，其綜合性能十分優(yōu)異。

長玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（LFT）是近年來發(fā)展迅速的一類高性能復(fù)合材料，以長玻纖（玻纖的比例通常為20%～40%）為增強(qiáng)材料，是以熱塑性樹脂為基體的熱塑性復(fù)合材料。由于長玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)投資少，設(shè)備比較簡單，采用單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)就可實(shí)現(xiàn)，因此價(jià)格具有一定優(yōu)勢[10]。LFT較短玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：①纖維長度長，可大幅度提高制品的力學(xué)性能；②比強(qiáng)度和比剛度高，抗沖擊性能好；③耐蠕變性能優(yōu)異，部件成型精度高；④具有良好的耐疲勞性能；⑤在高溫和潮濕環(huán)境中具有更好的穩(wěn)定性；⑥在部件成型過程中，纖維可以在成型模具中相對移動(dòng)，這樣對纖維損傷較小。

連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）是一種增強(qiáng)纖維單向排序且長度與復(fù)合材料相同的復(fù)合材料。CFRTP由于其增強(qiáng)纖維是連續(xù)的，制品尺寸與纖維保留長度大致相同，因此在力學(xué)性能上較其它種類熱塑性復(fù)合材料具有一定的優(yōu)勢。連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有出色的斷裂伸長率、韌性以及耐濕熱性能，避免了熱固性復(fù)合材料斷裂伸長率低、韌性差及易出現(xiàn)應(yīng)力開裂等情況，同時(shí)也彌補(bǔ)了短玻纖和長玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料承載能力較弱的不足，其可應(yīng)用于工作環(huán)境要求苛刻、承載能力要求較高的部件[11]。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量、輕質(zhì)，適合在航空航天、輕量化的汽車等領(lǐng)域上應(yīng)用；廢料及制品可回收、耐腐蝕性好[12]。

3 熱塑性復(fù)合材料的成型技術(shù)

3.1 熱壓成型

熱壓成型按照使用的設(shè)備不同可以分為模壓成型、雙膜成型、熱壓罐成型和真空袋成型。其基本工藝過程是先將預(yù)浸料裁剪后進(jìn)行鋪疊，然后裝入模具中，對模具升溫，待模具達(dá)到成型溫度后，使用不同的加壓設(shè)備對鋪貼好的預(yù)浸料進(jìn)行加壓，固化后得到滿足要求的制件，此方法是熱塑性復(fù)合材料在航空制件制造中的主要方法之一[13]。熱壓成型具有顯著的優(yōu)點(diǎn)如可以制備尺寸控制精確且形狀復(fù)雜的零件、生產(chǎn)效率較高，但受模具成本及壓機(jī)尺寸等限制[14]。

3.2 纖維纏繞成型

纖維纏繞成型是采用熱氣噴槍對連續(xù)纖維（浸漬樹脂）進(jìn)行加熱，按照一定規(guī)律纏繞在芯模上，然后固化、脫模得到制件的工藝過程。該方法具有以下特點(diǎn)：材料成本低、生產(chǎn)效率高，適用于大尺寸圓柱形制件。選擇合適的浸漬方法在纏繞過程中至關(guān)重要；為了避免樹脂在纏繞過程中冷卻凝固，使層內(nèi)和層間粘結(jié)不良，對制件性能產(chǎn)生不利影響，因此在纏繞的過程中需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜嵋约安捎煤线m的纏繞速度[15]。

3.3 熱壓罐成型

為了達(dá)到制件成型的目的，可利用熱壓罐內(nèi)部均勻的壓力和溫度場對熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行加壓加熱來實(shí)現(xiàn)。其具體工藝過程包括：鋪層鋪放、真空壓實(shí)、真空袋制作、控制溫度與壓力、固化。熱壓罐成型方法制件具有以下特點(diǎn)：適用于制造大型結(jié)構(gòu)件，且制件壓力均勻、尺寸穩(wěn)定性好，不足之處是成型周期長、生產(chǎn)成本高、能源消耗大，在使用時(shí)還需要注意熱塑性預(yù)浸料必須焊接到位、模具和熱壓罐的熱慣性高等問題[16]。

3.4 自動(dòng)鋪放成型

自動(dòng)鋪放技術(shù)是具有質(zhì)量檢測功能和溫度控制的復(fù)合材料的集成化數(shù)控成型技術(shù)，可一體實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的裁剪、定位、鋪疊、壓實(shí)等步驟。自動(dòng)鋪放技術(shù)是近年來熱塑性復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向，可滿足高質(zhì)量、自動(dòng)化、低成本、高產(chǎn)量等技術(shù)要求[17]。采用鋪帶頭對預(yù)浸帶或預(yù)浸絲進(jìn)行加熱，并按照鋪層順序在模具表面上壓實(shí)。該技術(shù)具有制件質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、可自動(dòng)切割、鋪放成本低以及不需要真空壓實(shí)的優(yōu)點(diǎn)。國外在熱塑性復(fù)合材料的自動(dòng)鋪放技術(shù)方面的研究工作較為成熟，主要包括成型工藝、成型設(shè)備以及軟件控制技術(shù)，而我國在熱塑性樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放方面的研究較為落后，起步較晚[18]。

4 熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 航空領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀

目前，熱塑性樹脂中高性能和耐高溫類樹脂基體廣泛應(yīng)用在航空領(lǐng)域，其代表以聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）以及聚醚酰亞胺（PEI）為主。其中，相對半結(jié)晶的PPS和高成型溫度的PEEK而言，無定形的PEI在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用更為廣泛，因?yàn)镻EI加工溫度及加工成本更低[19～21]。

為了推廣熱塑性復(fù)合材料在飛機(jī)主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，自2005年起，空客公司以及荷蘭的工業(yè)、研究院所已經(jīng)在熱塑性材料領(lǐng)域進(jìn)行深度合作，2009年又合作成立了TAPAS（熱塑性非昂貴型飛機(jī)主結(jié)構(gòu)）項(xiàng)目，合作方有Fokker航空結(jié)構(gòu)、空客公司、Airborne技術(shù)中心、TenCate公司、KVE復(fù)合材料集團(tuán)、DTC、Delft技術(shù)大學(xué)、Technobis纖維技術(shù)公司以及Twente大學(xué)，荷蘭國家航空實(shí)驗(yàn)室同步進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的研究和測試[22,23]。

目前，空客A380飛機(jī)已有超過1000個(gè)熱塑性復(fù)合材料零部件，其中，包括機(jī)翼前緣、機(jī)身加強(qiáng)筋和肋條等承力部件，還包括線纜夾具、客機(jī)座椅腰部支撐部件和管道夾具等輔助件，材料包括碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚、玻璃纖維增強(qiáng)聚苯硫醚和碳纖維聚醚亞胺（CF/PEI）等高性能熱塑性復(fù)合材料，總重量達(dá)到2.5t[24]。洛克希德馬丁公司C-130運(yùn)輸機(jī)也使用了大量纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件，其中起落架艙門為碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（C/PEEK）高性能熱塑性復(fù)合材料，具有高韌性，可以有效防止沙石沖擊帶來的損傷。另外，天線罩采用玻璃纖維增強(qiáng)聚醚砜熱塑性復(fù)合材料制成[25,26]。

4.2 在汽車上的應(yīng)用

汽車上應(yīng)用最多的熱塑性復(fù)合材料基體樹脂為聚丙烯和聚酰胺（PA），而增強(qiáng)體一般采用玻璃纖維。從表1可以看出，熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用范圍非常廣，而且用量呈逐年增加趨勢，在不久的將來可實(shí)現(xiàn)“以塑代鋼”輕量化的使用需求[27]。汽車外飾件上大量應(yīng)用熱塑性復(fù)合材料已經(jīng)成為可能，并且有助于實(shí)現(xiàn)汽車零部件的輕量化[28]。

表1 PP材料和PA材料在汽車上的應(yīng)用部位Table 1 The application of PP and PA in the automobile parts

4.3 在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用

根據(jù)國家發(fā)改委的規(guī)劃，未來15年我國風(fēng)電設(shè)備市場規(guī)模將實(shí)現(xiàn)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，預(yù)計(jì)超過2000億元，而葉片占風(fēng)力發(fā)電整個(gè)裝置成本的15%～20%，可見葉片的市場可達(dá)到400億元[29]。我國風(fēng)機(jī)葉片的主要原材料為增強(qiáng)體材料和樹脂基體。增強(qiáng)體材料有碳纖維、玻璃纖維以及碳纖維和玻璃纖維混雜材料，樹脂為熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、不飽和聚酯樹脂[30]。熱固性復(fù)合材料葉片最大的問題就是廢棄后難以回收處理，目前有效的解決方法是發(fā)展可循環(huán)使用的熱塑性復(fù)合材料葉片，所以越來越多的葉片制造商在熱塑性復(fù)合材料葉片的研究和開發(fā)方面做了大量的投入，該方面的研究國內(nèi)相對落后[31]。而熱塑性復(fù)合材料葉片應(yīng)用在發(fā)達(dá)國家較為成熟，荷蘭、法國、丹麥等國家采用不同的成型技術(shù)生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料風(fēng)電葉片，而且用量呈逐年增加趨勢，在不久的將來有望取代熱固性復(fù)合材料，滿足綠色環(huán)保的發(fā)展要求[32]。

5 制約國內(nèi)熱塑性復(fù)合材料規(guī)模應(yīng)用的因素

國外熱塑性復(fù)合材料的研究起步較早，發(fā)展速度較快，優(yōu)先進(jìn)入到了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段，尤其在航空航天等高端領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平與國外具有明顯的差距，尤其在成型技術(shù)、成型設(shè)備方面，那么主要的解決辦法有如下幾個(gè)方面：支持和鼓勵(lì)高校及科研院所開發(fā)高性能的樹脂基體與增強(qiáng)材料，然后在企業(yè)中進(jìn)行中試放大，不斷提高應(yīng)用水平；學(xué)習(xí)并借鑒國外先進(jìn)的成型技術(shù)及成型設(shè)備，攻克技術(shù)難題，不斷在實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在高端領(lǐng)域中提高熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用比例，進(jìn)而提升我國熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

6 熱塑性復(fù)合材料的未來發(fā)展方向

國內(nèi)對熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料尚有一定的研究基礎(chǔ)，也有一些熱塑預(yù)浸料的產(chǎn)品，但產(chǎn)品性能與發(fā)達(dá)國家相比仍存在很大的差距，加上后續(xù)工作的連續(xù)性不強(qiáng)，導(dǎo)致目前我國仍缺乏材料制備和結(jié)構(gòu)成型相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備。

而熱塑性復(fù)合材料零件的一體化熱成型是未來的主要發(fā)展趨勢，制造工藝相對簡單，其設(shè)備研制相對也容易，可以考慮從該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行突破，積累經(jīng)驗(yàn)，加快國內(nèi)自動(dòng)化成型技術(shù)的研究步伐，并逐步趕上外國制造業(yè)水平，力爭在未來使用我國自主研發(fā)的自動(dòng)成型設(shè)備，如絲綢、自動(dòng)帶、拉擠成型、纏繞設(shè)備等[33]。

7 結(jié)語

熱塑性樹脂基復(fù)合材料以其獨(dú)有的特性正受到很多領(lǐng)域的重視，其用量呈逐年增加的趨勢。而我國該方面的研究與國外相比還有較大的差距，未來的研究道路還很長，因此我們需加大基礎(chǔ)研究，借鑒國外先進(jìn)的技術(shù)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，使熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)進(jìn)入全新的發(fā)展高度，真正實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的發(fā)展理念。