“更好，更強，更穩(wěn)定”是材料領域不變的法則，熱塑性碳纖維復合材料就能夠更好的提升纖維的性能，使其能夠在更多的領域中得到應用。熱塑性碳纖維跟熱固性碳纖維一樣，具有輕質、高強、耐腐蝕、抗蠕變等性能之外，還具有更高的材料韌性以及損傷容限，就可以應用到飛機等高端領域中的特殊場景中去。那本文我們就來看看關于熱塑性碳纖維復合材料的知識。
這里我們來看看國內率先完成連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料生產廠家智上新材的技術經(jīng)理來給大家?guī)黻P于熱塑性碳纖維復材的全知識類解析。
基本概念
熱塑性碳纖維也是碳纖維復合材料的一種，這里面還有短切、長切等，屬于熱塑性碳纖維的細分賽道，這種材料的研發(fā)耗時耗財，但它關系到國防實力，是國外對我們的卡脖子技術，所以研究該材料勢在必行。先看看關于熱塑性碳纖維的基本材料概念，很多人可能還不是很清楚。
碳纖維復合材料是由碳纖維絲束作為增強體和樹脂基體組成，通過樹脂粘合碳纖維絲束從而達到更好的性能表現(xiàn)。
傳統(tǒng)的熱固性樹脂的粘接性比較好，所以整個的復材結構比較穩(wěn)定，那熱塑性碳纖維就是通過熱塑性樹脂作為增強體的復合材料，熱塑性樹脂由線性高分子聚合物組成，在一定的條件下發(fā)生溶解、熔融的時候只是發(fā)生物理變化，不同于熱固性樹脂的化學變化，這種物理變化，能夠重新塑形，也就具備了可回收的性能優(yōu)勢�，F(xiàn)階段眼睛的熱塑性樹脂有聚酰胺(尼龍6)、聚苯硫醚(PPS)，聚醚醚酮(PEEK)等，其中聚醚醚酮樹脂(PEEK)+碳纖維熱塑性復合材料在眾多領域中備受關注，整個的耐熱性能更好，生物相容性更好，被譽為未來人形機器人的核心材料，也因為極其突出生物相容性能夠在尖端醫(yī)療如骨科植入中帶來新的希望，它不同于金屬材料的冰冷感，還能夠帶來更好的舒適性。
我們在進行熱塑性碳纖維跟熱塑性碳纖維對比中發(fā)現(xiàn)，整個的熱塑性碳纖維復材帶來的性能優(yōu)勢更高，不單純是強度性能更好，熱塑性碳纖維復材還具有非常好的加工和成型優(yōu)勢、還具備損傷容限高、介電常數(shù)高、儲藏期無限制，具有優(yōu)良的可循環(huán)性能、可循環(huán)利用、不污染環(huán)境的特點。下圖就是有關于熱塑性復材的可再生修復的圖。
制備困難
按理說，如此突出的熱塑性碳纖維復材應該是大家哄搶的材料，然而該材料現(xiàn)如今的應用還不多，主要集中在航空飛機上面，這其實就是因為它的制備難度比較高。主要集中在原材料、成型、浸漬到應用成本上面的難度。我們這里說的是智上新材這種高性能的連續(xù)碳纖維熱塑性復材。區(qū)域與現(xiàn)在市場上面的粉末、短切碳纖維增強的熱塑性復合材料，因為它們的性能并不能很好地發(fā)揮出碳纖維與高性能熱塑性樹脂的雙向優(yōu)勢。
在材料上面，碳絲的選擇很重要，要結合物理知識進行調整，整個的碳絲束跟樹脂比例如何，碳絲表面應該怎么處理，才能更好的保證熱塑性樹脂浸漬時候更容易更徹底。
在成型上面，制備過程中中的溫度如何把控，不同溫度下，浸漬的情況大不同，也會直觀的影響到復材的性能;擠出過程塑化以及流動性是否相匹配;注塑壓力如何給到，這些又要結合材料本身的情況，又要我們的制備設備要跟得上才能完成。
在浸漬上，如何解決樹脂流動性的問題成為了關鍵，常見的就是通過改性來讓熱塑性樹脂流動更好，這里面需要化學知識的積累和實驗，并且要考慮到，浸漬完成后的界面強度是否能夠滿足要求，不能光浸漬完成，但是性能得不到保障，那又得不償失。
在實際應用上也有難度，整個的熱塑性碳纖維制備中，實驗成本高，這需要大量的資金，這也是為什么想要進入這個行業(yè)的公司有很多，但是堅持下來的很少，這里不得不說智上新材率先完成熱塑性碳纖維量產，其中的艱辛和堅持都功不可沒。實際應用中，這樣的高性能材料，損傷容限又很關鍵，往往應用下，需要一個比較長的驗證周期，讓這樣的材料應用不能快速完成。
除此之外，你包括在制備過程中，整個的工藝、設備參數(shù)的優(yōu)化調整，獲得更多的性能，這既需要實際經(jīng)驗有需要強大的理論基礎加持下才能完成。像國外東麗公司，這么多年下，碳絲的生產還在不斷的調整，才能一直占據(jù)市場龍頭地位。以及生產中的回收到清洗的難點，都是其制備的困難點。
展望
碳纖復材是我國“十四五計劃”重點材料之一，也是國家“卡脖子”材料。這種材料能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼或者鋁，減重效率可達到20%-40%，在航空航天領域得到廣泛青睞。飛機結構材料約占起飛總重量的30%左右，對于軍用飛機，減重可節(jié)省燃油、擴大作戰(zhàn)半徑、提高戰(zhàn)場生存力和戰(zhàn)斗力;對于客機，減重可節(jié)省燃油、提高航程和凈載能力，具有顯著的經(jīng)濟效益。
現(xiàn)如今的空客、波音到我們國產的飛機上大量的使用碳纖維材料，但更多的是內部件。從以往的重量高、油耗高、強度低得到轉化。熱塑性碳纖維復材的加入后，就提供更高的性能優(yōu)勢，能夠在動力元件、結構元件上得到應用，具有了可回收、成型快、韌性更好、損傷容限更高的性能優(yōu)勢，屬于新型“綠色材料”也是未來航空航天領域的全新發(fā)展方向。
行業(yè)現(xiàn)狀
熱塑性碳纖維的市場全領域的應用還不完全，現(xiàn)階段還是以小批量定制為主，那我們通過以為碳纖維復合材料的大市場數(shù)據(jù)來看整個的行業(yè)市場現(xiàn)狀。
高性能的熱塑性碳纖維主要的群體集中在航空飛機領域中，我們通過下圖國內外軍機以及民機的復合材料使用圖看，我國的市場還是比較缺乏，因此市場前景還是非常廣闊。
國內外飛機中復合材料應用率
市場規(guī)模上，2022年全球樹脂基碳纖維復材的需求量達到20.8W噸，預計到2025年將會達到29W噸，主要整漲點就是在航空、飛機、無人機領域中。
2022年全球樹脂基碳纖維復材銷售收入（10億美元）
2022年我國樹脂基碳纖維復合材料需求（噸）
我們國內2022年樹脂基碳纖維復材需求114.45w噸，銷售收入為1449億元，其中航空航天銷售收入達816億元。那后續(xù)的增長點就會是熱塑性碳纖維的加入，更高性能的下碳纖維復材占比將會進一步提升。熱塑性碳纖維國外技術封鎖，國產化替代下的熱塑性碳纖維必然會成為新的增長趨勢。
現(xiàn)階段的熱塑性碳纖維廠家
熱塑性碳纖維將會是碳纖維復材的高性能代表材料，國內外多家企業(yè)都是積極應對，這里面有國外的巨頭企業(yè)，如日本東麗、美國赫氏、日本帝人。也有我們國內的技術研發(fā)企業(yè)，如中復神鷹、中簡科技、中航高科、各大科研所以及現(xiàn)如今以T700-12K碳絲量產的智上新材廠家。
整個的熱塑性碳纖維復合材料技術還有很長的路要走，要積極的應對各種可能，苦心專研，是實現(xiàn)碳纖維材料快速超越國外的彎道，期待國產化熱塑性碳纖維的崛起之路。
