干货丨连续纤维增强热塑性复合材料工艺及应用

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本文为SAMPE 特邀撰稿人 姚志佳撰写

一、概述

连续纤维增强热塑性复合材料由于其轻质、高刚度、高韧性等特性，在汽车工业，航空航天，军工，电子等诸多领域已经广泛的应用。连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）是以连续纤维作为增强材料，以热塑性树脂为基体，通过将热塑性树脂熔融浸渍的工艺制造的高强度、高刚性、高韧性的复合材料。可选用的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、植物纤维、以及玄武岩纤维。可以选用的树脂基体有PP、PE、PA6、PA66、PC、PET、TPU、PPS、PEEK等。根据产品性能及成型要求的不同，增强材料的形态可以是单向的，也可以是织物。

尽管短纤维和长纤维热塑性复合材料占整个热塑性复合材料市场的主导地位。但由于连续纤维独特的特点，近年来国际上连续纤维增强热塑性复合材料市场仍然保持着快速增长，国外行业巨头也正将连续纤维增强的热塑性复合材料及相关企业作为重点开发方向和并购的首选标的。其中朗盛收购了德国Bond-Laminates、三菱收购QPC、东丽公司收购荷兰的Tencate；而韩华、巴斯夫、科思创、英力士等化工巨头也都推出了相应的连续纤维增强热塑性复合材料。

目前，掌握连续纤维增强热塑性复合材料技术的企业主要集中在德国、荷兰、英国、美国等少数欧美国家。我国有部分企业掌握了一部分连续纤维增强热塑性复合材料的技术，但是在连续纤维增强特种工程塑料复合材料方面，我国与国外依旧存在非常大的差距。

二、连续纤维增强热塑性复合材料的浸润工艺

（1）混纤纱-TwinTex(Commingled yarn)

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

（2）熔体浸渍(Melt impregnation)

工艺关键：

①纤维排布、展丝

②熔体浸渍槽

以下是不同熔体浸渍槽的内部结构

熔融浸渍工艺的特点是：

①浸润完全

②制造成本较低

③由于树脂在熔体槽中停留时间较长容易氧化

（3）粉末浸渍法（Powder impregnation）

工艺特点：

①树脂需要打成较细的粉末，成本相对较高。

②树脂含量较难控制。

（4）悬浮浸润（Slurry impregnation）

主要生产高性能树脂基复合材料：PEI、PEEK、PAEK、PEKK、PPS、PSU、PVDF等。

（5）液体成型 liquid infusion

树脂体系：

PA6(己内酰胺阴离子开环聚合)

丙烯酸树脂（Elium , Arkema）

该工艺可用的树脂体系较少，聚合较难控制。

三、连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）的特点：

1、环境因素小。生产过程排放小、可回收。

2、材料选择范围广。热固性树脂仅有几种，而热塑性树脂及其合金品种繁多，满足不同的需求。

3、储存方便，储存时间长。

4、复合材料的耐疲劳性、抗冲击性能、耐腐蚀性优异。

5、材料的密度低，比强度、比刚性大。

6、材料成型快、成型方式多样化。

7、材料易于焊接。

四、连续纤维增强热塑性复合材料的成型方式

（1）模压成型

（2）缠绕成型

（3）模内注射成型

五、连续纤维增强热塑性复合材料的应用

1、汽车轻量化

（1）商用车轻量化

目前汽车轻量化主要集中在厢式货车厢板和乘用车次结构件。其中使用以连续纤维增强PP为外蒙皮的蜂窝板可以替代厢式货车传统的玻璃钢车厢板和金属车厢板。可非常明显的降低厢式货车整车质量。通过有关机构统计，汽车重量每降低100公斤，每公里的油耗可节约0.6L，整车质量下降10%，燃油效率提高6%-8%，滚动阻力较少10%，燃烧效率提高3%。

以9.6米厢式货车为例，使用连续玻璃纤维PP为蒙皮的蜂窝板可对金属车厢减重1000Kg，可对木夹芯车厢减重800Kg，可对玻璃钢车厢减重500Kg。按照行业经验汽车整备质量减少1000Kg，每百公里的油耗可降低3-6升，以物流干线车辆每年20万公里的行驶里程计算，每年每台车最低可节约燃油成本52000元。

（连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝板新能源汽车）

（2）乘用车轻量化

在乘用车轻量化中，连续纤维织物增强热塑性复合材料目前被国外企业更加广泛的采用。通过对织物增强的热塑性复合材料片材的模压加注塑的工艺使得制件的成本更低、重量更轻且保持良好的物理性能。下图为国外企业成型的汽车制件。原产品使用40%玻璃纤维含量的PA6注塑成型，循环节拍≤60s，重量为500g。通过使用连续纤维织物增强热塑性复合材料和注塑工艺的结合，使用PP树脂的连续纤维织物，注塑30%纤维含量PP改性塑料。最终将该制品的循环时间降低到39s，重量275g，且成本降低44%。这种成型方式也正在被国内企业熟悉，已有相关企业正在对设备及工艺进行研发。

下图为不同树脂的连续纤维织物增强热塑性复合材料片材：

（3）模内注射成型的相关制件：

（4）轨道交通的轻量化

在轨道交通领域使用玻璃纤维PP单向带铺层的3mm厚薄板经过阻燃处理，被应用在棚车内衬板用来替代传统的竹胶板，来增加对棚车厢体的保护，并且大幅度的降低车体重量，最终达到节能的效果。

（5）交通领域的其他应用

在国外同类产品的也被应用到厢式货车厢壁板的防擦伤内衬板

下图为使用模压设备压制成型的连续纤维增强聚丙烯复合材料在国外棚车的应用：

2、体育休闲及3C周边

连续纤维增强热塑性复合材料由于高抗冲击及成型快速的特点在高端运动鞋、头盔、拉杆箱、运动器材配件、手机壳等领域。目前耐克乔丹系列是连续纤维增强热塑性复合材料的忠实用户，其中乔丹11到13代篮球鞋均采用美国PMC公司生产的碳玻混编热塑性碳板作为足弓支撑板，其中乔丹11代截止目前依旧是全球销量最好运动鞋之一，使得越来越多的篮球爱好者了解了碳板。下图为乔丹篮球鞋及其使用的碳板。

除此以外在锐步等品牌运动鞋中也出现过大量碳玻混编热塑性碳板。除鞋材以外连续纤维增强的热塑性复合材料还被应用在电子产品及体育休闲领域。碳玻混编热塑性碳板生产工艺较为复杂，浸润难度大，如何将树脂同时浸润到两种纤维里是技术难点。

以下为连续纤维热塑性复合材料在体育休闲及3C领域的部分应用：

3、在航空航天及军事领域的应用

航天航空领域一般采用高性能的碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维作为其增强材料，使用PEEK、PPS、PES作为树脂基，一般使用在耐热不超过425℃的部件。由于这些热塑性树脂具有良好的耐温性，使得其成为热塑性复合材料领域异常活跃的研究开发热点。

在欧美连续碳纤维增强的PEEK复合材料在多种战斗机型上应用于机身腹部壁板、尾翼、前起落架门、发动机周围、机身蒙皮等构件。

在民用机方面使用碳纤维织物进行增强的PPS复合材料应用于A380 飞机机翼前缘，除了应用于飞机外部零件，飞机内部包括座椅架、横梁、进气管也使用了PPS复合材料。

在航天领域PEEK连续纤维复合材料压制成的反射镜基板解决了金属材料制成的反射镜重量太大设计方案无法实现的问题。

连续纤维增强的PEEK除了热塑性材料特点以外，还具备良好的自熄灭性、低烟和燃烧产品无毒等优异的阻燃特性。又由于其可透X射线，生物相容性好，抗菌性强，可长期植入人体，并拥有跟骨骼相似的弹性模量，使其在医疗领域被广泛的应用。目前可提供该产品的有TenCate、Ticona等。

4、其他待开发应用领域

高铁、船舶、风机叶片、高压气瓶等

六、结束语

连续纤维增强热塑性复合材料在我国发展较晚，第一条真正意义上量产的连续玻璃纤维增强PP单向带生产线在09年正式投入生产。经过9年的发展，国内企业已经完全掌握了连续玻璃纤维增强热塑性树脂单向带、0/90°层合板、热塑性蜂窝板产品的技术核心，产品无论从质量还是价格都可以与国外同行直接竞争。

但是以连续碳纤维和芳纶纤维作为增强材料的先进热塑性复合材料（如连续碳纤维、玻璃纤维、及混编的增强PA6、PA66、PC、PMMA织物等）在2018年之前发展相对缓慢，在近期国内终端市场呈现出活跃的态势。国内外原材料生产企业、配套的成型设备企业均在国内大力的对终端市场进行宣传引导。

更高端的连续纤维增强特种热塑性复合材料（如连续碳纤维的PPS、PEEK单向带等）在国内虽然已经有企业在展会上进行展出，但是从展纱的分散性、厚度、浸润性等还需要重点解决，才能满足制件的成型要求。

从整个连续纤维增强热塑性复合材料行业来看，呈现脱节的情况。国内企业更多在研究材料，材料做出来后如何去成型，并不是材料企业的核心能力。但是制件生产企业最关心的就是我有了材料如何去成型。所以导致了很多制件生产企业放弃这种材料的应用。最终迫不得已部分材料生产企业寻求突破转型去生产最终产品（有的转型是符合市场需求的），公司产业链被拉长，各项负担增加。

所以连续纤维增强热塑性复合材料在国内要达到更大的体量，必须解决各种成型的工艺。在国内轻量化、可循环的绿色环保趋势下，连续纤维增强热塑性复合材料将会得到行业内的更多认可。

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来源：SAMPE 特约撰稿人 姚志佳