探索热塑性复合材料：未来工业的革命性选择

热塑性复合材料，作为一类具有革命性的现代材料，根据增强纤维的长度和分布，主要分为三类：短纤维增强热塑性复合材料（SFT）、长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料（CFT）。SFT由于其短纤维结构，在简单成型工艺中表现出色，而长纤维版本则提供了更优异的力学性能。CFT凭借其连续纤维特性，在承受高负载的应用中表现出卓越的性能。这些分类不仅反映了热塑性复合材料的多样性，也体现了其在不同应用领域中的广泛适用性，热塑性复合材料的类型主要分为三类：

1. 短纤维增强热塑性复合材料（SFT）：这种类型的材料由于纤维长度较短，其增强效果有限，但成型工艺简单，适用于结构复杂的制品。

2. 长纤维增强热塑性复合材料：相较于SFT，长纤维增强复合材料中的纤维保留长度较长，因此在力学性能上优于短纤维增强复合材料，适用于要求较高的应用场景。

3. 连续纤维增强热塑性复合材料（CFT）：这类材料中的增强纤维是连续的，纤维保留长度与制品尺寸一致，因此力学性能得到进一步提升。具有良好的可设计性，适用于承力结构部件。

热塑性复合材料的优势包括：较低的密度、优异的力学性能、良好的耐环境性能、和高的损伤容限。这些材料在加工和修复时表现出极佳的适应性和经济效益，特别是它们的回收和重塑能力，使其在环境可持续性方面尤为突出。此外，它们在成型和加工过程中的快速反应性，进一步提高了生产效率，使其在航空航天、汽车制造等行业中得到了广泛应用。

1.密度小、比刚度和比强度大

通常结构件的重量与所用材料的比强度或比刚度成反比，因此，比强度、比刚度就成为材料选择的主要参数；吴云书教授在论文“材料的比强度和比刚度”中对上述概念进行深入的分析。

2.韧性优于热固性塑料，复合材料具有良好的抗冲击性能

热固性树脂基复合材料在成型过程中，树脂基体交联固化为三维网状结构，因此，热固性复合材料的刚度较高、脆性较大、抗冲击和抗损伤的能力较差。热塑性复合材料是以线形高分子聚合物为基体材料，韧性良好的线形高分子聚合物赋予了复合材料优异的抗冲击性能和抗损伤性能。

3.复合材料的物理性能良好，适合于复合材料的多种应用

该优势源于热塑性复合材料具有良好的耐热性和吸水率。

耐热性能：一般热塑性塑料的长期使用温度为50-100℃，纤维增强工程塑料的长期使用温度为120-150℃，而高性能热塑复合材料的长期使用温度可以达到250℃以上，耐热性能优异。

吸水率：热塑性复合材料的吸水率一般优于热固性复合材料，玻璃纤维增强聚丙烯的吸水率为0.01%-0.05%，而玻璃纤维增强不饱和聚酯的吸水率为0.05%-0.5%，即使玻璃纤维增强环氧复合材料的吸水率为0.04%-0.2%，吸水率低于热塑性复合材料。

4.加工过程不发生化学变化，成型周期短

热固性复合材料的加工过程是树脂基体在固化剂的作用下，由线形的分子结构聚合物为体形分子结构的过程，这需要较长的时间。如惠柏新材的ML-8190A/B超高耐温低粘度环氧树脂的固化条件如下：

热塑性复合材料的加工过程为加热熔融变形和冷却定型，是物理变化过程；由于上述过程不发生化学反应，因此，成型周期非常短。例如：常见的模压成型周期为几十秒至几分钟，成型速度非常快。

由于纤维增强形式存在着一定的特殊性，因此并不是所有的成型工艺都适合连续纤维增强热塑性复合材料。目前，能够适合在连续纤维增强热塑性复合材料制备上应用的成型工艺有以下数种，最常见的包括模压成型、树脂注射成型、缠绕成型以及拉挤成型。其中模压成型是最常见的，缠绕成型及拉挤成型是新兴的。热塑性复合材料的成型工艺主要包括模压成型、层压成型和拉挤成型。

1. 模压成型：这一过程首先预热坯料或在模具中直接加热，然后施加压力使其成型。这种方法适用于多种纤维增强形式，特点是成型周期短，高效快速。此工艺适用于制造复杂形状的部件，但可能限制材料的力学性能。

2. 层压成型：该方法主要是将预浸料片材或编织物按力学设计要求铺放，然后预热并成型。尽管层间剪切强度较低，但通过各种改进，例如纤维表面改性和基体改性，可以提高性能。可制造高力学性能的产品，适合于结构应用，如航空部件。但层间剪切强度较低，可能影响产品的整体性能。

3.拉挤成型：这是一种连续自动化的生产方式，能制造截面一致、形状多样的型材，特点是高效率和良好的轴向性能。通过改进工艺，例如使用预浸带和优化模具设计，可以进一步提高产品质量和性能。适合连续自动化生产，制品的轴向性能突出。通过织物的补强，可以提高横向性能，但对模具设计和工艺控制要求高。

国内外对连续纤维增强热塑性复合材料的制备工艺及其机械性能、热力学性能的研究较多，常用注塑工艺成型制备玻璃纤维增强聚丙帰复合材料，对用混纤纱法浸溃热压工艺的连续纤维增强热塑性复合材料的研究不多，尤其是不同结构形式的连续玻纤增强聚丙帰复合材料的力学性能差异及破坏机理差异的研究较少。

1. 航空航天：热塑性复合材料在航空航天领域的应用主要集中在减轻飞行器重量和提高结构强度上。例如，F-22战斗机和A380商用飞机的某些部件就采用了这种材料，以优化性能和耐久性。

湾流G650尾舵由Fokker航空公司制造，筋骨与梁均采用TenCate公司碳纤维/PPS热塑性复合材料压板（RTL）热压成型，连接铰链采用钛合金3D打印制造。面板与肋、梁采用KVE公司的感应焊接技术焊接为整体结构，焊接过程能够实现自动化，，一次性将3组肋与3组梁焊接到蒙皮。

图1 湾流G650

2015年美国宇航局发射的全球土壤水分测量航天器（SMAP），如图所示，大量使用了热塑性复合材料。该航天器的可展开网状反射器由诺斯罗普·格鲁曼公司AstroAerospace采用TenCate热塑性复合材料制造而成。该反射器为抛物面形状设计，φ6m，包括一个圆形碳纤维增强塑料（CFRP）桁架，表面附上金属加强网，反射体由具有高刚度和强度的芳纶强化PEI拉挤成型制成，通过超声波点焊焊接在其交叉点加强网上，实现了轻量化、高强度、耐疲劳的特性。

图2 SAMP航天器与网状反射器

2. 汽车行业：这些材料用于制造汽车的防撞梁、门板等关键部件，以提高安全性和燃油效率。它们的轻质特性对于减少汽车的整体重量，从而提高燃油经济性尤为重要。

汽车行业，是热塑性复合材料大规模使用的重要领域，目前LFT已在汽车防撞梁、前端模块、仪表盘骨架、车门中间承载板、电瓶箱、座椅骨架板、备胎仓以及车底部护板等结构件和半结构件中得到广泛应用。

图3  奔驰公司拟进行热塑替代的汽车组件

3.建筑和桥梁：在建筑行业，特别是桥梁建设中，热塑性复合材料因其耐腐蚀性和高强度而成为钢材的有效替代品，有助于延长桥梁的使用寿命并降低维护成本。

图 4 美国美国俄亥俄州热塑材料桥

当前热塑性复合材料市场的趋势和潜在市场表现出显著的增长和多样化。到2028年，全球热塑性复合材料市场预计将达到330亿美元，复合年增长率（CAGR）为5.1%。这一增长主要受到对轻量化和环境可持续材料需求增长的推动，以及在不同终端行业中替代金属的趋势。特别是在交通、消费品、工业和建筑市场中，热塑性复合材料的应用日益增多。

亚太地区，特别是中国，由于其庞大的建筑市场和高速的城市化进程，成为推动热塑性复合材料市场增长的主要力量。中国预计到2025年将大规模扩建城市空间，其建筑行业的增长预计将对国内生产总值（GDP）贡献约6%。

在航空领域，空中客车公司预测，未来20年中国的航空流量将以5.3%的年增长率增长，这远高于全球3.6%的平均水平。这预示着对新飞机的强烈需求，进而推动热塑性复合材料在航空航天领域的应用。

此外，随着电动汽车市场的增长，热塑性复合材料在汽车行业中的应用也将增加。电动汽车需求的增长将加速电动车部件的生产，并对热塑性复合材料的需求产生积极影响。

技术方面，热塑性复合材料市场的发展趋势包括增加的材料间竞争和对连续纤维增强热塑性复合材料的关注增加。这些趋势对行业动态产生直接影响，开启新的增长机会。

热塑性复合材料目前在技术状态上呈现出显著的成熟与创新。这些材料因其独特的性质，如重量轻、强度高、可回收性和加工灵活性，已在多个行业中得到广泛应用。目前的趋势显示，热塑性复合材料正在朝着性能更优、成本更低和更环保的方向发展。特别是在航空航天、汽车制造、建筑和电子产品等领域，这些材料正扮演着越来越重要的角色。

未来，热塑性复合材料的发展预计将继续受到电动汽车需求增长、建筑行业的现代化和航空业的扩张等因素的推动。亚太地区，尤其是中国，预计将成为推动这一市场增长的主要力量，这归功于其庞大的建筑市场和快速的城市化进程。随着技术的进步和市场需求的增加，我们可以预见，这些材料将在减轻结构重量、提高效能和支持可持续发展方面发挥更大作用。

综上所述，热塑性复合材料不仅是当前材料科学的一个重要分支，而且是未来工业和技术发展的一个关键领域。它们将继续引领材料创新，推动各行业向更高效、更可持续的方向发展。

参考文献：

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