熱塑性復(fù)合材料的加工技術(shù)現(xiàn)狀、應(yīng)用及發(fā)展趨勢

熱塑性復(fù)合材料（FRT）具有密度低、強(qiáng)度高、加工快、可回收等突出特點(diǎn)，屬于高性能、低成本、綠色環(huán)保的新型復(fù)合材料，已部分替代價(jià)格昂貴的工程塑料、熱固性復(fù)合材料(FRP)以及輕質(zhì)金屬材料（鋁鎂合金），在飛機(jī)、汽車、火車、醫(yī)療、體育等方面有廣闊應(yīng)用前景。本文概述了熱塑性復(fù)合材料(FRT)的種類、結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了國內(nèi)外最新加工技術(shù)、應(yīng)用及發(fā)展趨勢，以及未來面臨的障礙和挑戰(zhàn)。復(fù)合材料(CompositeMaterial)分為兩種主要類型：熱固性（聚合物樹脂基）復(fù)合材料（FRP)和熱塑性（聚合物樹脂基）復(fù)合材料(FRT)，其中，F(xiàn)RT(如GFRT和CFRT,FiberWeight%:40-85wt%)具有密度低（1.1-1.6g/cm3）、強(qiáng)度高、抗沖擊好、抗疲勞好、可回收、加工成型快、造價(jià)低等突出特點(diǎn)，屬于高性能、低成本、綠色環(huán)保的新型復(fù)合材料。通過選擇原材料(纖維和樹脂基體)的種類、配比、加工成型方法、纖維(GF,CF)含量和纖維(單絲和編織物)鋪層方式進(jìn)行多組份、多相態(tài)、多尺度的宏觀與（亞）微觀的復(fù)合過程（含物理過程和化學(xué)過程）可以制備FRT，并根據(jù)要求進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的設(shè)計(jì)和制造，達(dá)到不同物理、化學(xué)、機(jī)械力學(xué)和特殊的功能，最終使各種制品具有設(shè)計(jì)自由度大、尺寸穩(wěn)定、翹曲度低、抗疲勞、耐蠕變等顯著優(yōu)點(diǎn)，部分替代價(jià)格昂貴的工程塑料、非環(huán)保FRP和輕質(zhì)金屬材料（如鋁鎂合金）。目前，F(xiàn)RT廣泛應(yīng)用在電子、電器、飛機(jī)、汽車、火車、能源、船舶、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動(dòng)器材、建筑、軍工等工業(yè)產(chǎn)品，近年，更隨著全球各國對(duì)節(jié)能減排、環(huán)保、可再生循環(huán)使用等要求的不斷提高，F(xiàn)RT獲得更快速發(fā)展，相關(guān)新材料、新技術(shù)、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)?；痉N類根據(jù)制品中的最大纖維保留尺寸大小，F(xiàn)RP(GFRT和CFRT)可分為：(1)非連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(N-CFT)，包括短切纖維增強(qiáng)工程塑料(SFT，最大纖維保留尺寸0.2-0.6mm)；(2)長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(LFT-G，LFT-D，最大纖維保留尺寸5-20mm)；(3)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(ContinuousFiberReinforcedThermoplastics,CFT，最大纖維保留尺寸>20mm;包括：玻纖氈增強(qiáng)型熱塑性復(fù)合材料GMT)。傳統(tǒng)成型工藝——注塑及模壓,可以實(shí)現(xiàn)N-CFT非結(jié)構(gòu)件或半結(jié)構(gòu)部件的制造（如汽車工程塑料部件），盡管與CFT相比，機(jī)械力學(xué)性能相差較大，但是能夠滿足一般民用工業(yè)產(chǎn)品的性價(jià)比使用要求，因此市場容量巨大，發(fā)展速度快，制造技術(shù)與應(yīng)用相對(duì)成熟。國外公司己經(jīng)實(shí)現(xiàn)LFT碳纖維復(fù)合材料工業(yè)化生產(chǎn)，并應(yīng)用在需求高強(qiáng)度、輕量化的汽車非結(jié)構(gòu)零部件，用以替代部分鋁合金材料零部件，同時(shí)還具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、電磁屏蔽等特殊功能,這也已成為國內(nèi)外改性塑料公司爭先開發(fā)與應(yīng)用的新領(lǐng)域。CFT(主要包括GFRT和CFRT)是一種具有更高性能的輕量化新材料，也是近年來新技術(shù)發(fā)展最快的復(fù)合材料之一，可分為四種類型：1)連續(xù)單絲纖維單向排列的CFT（又稱單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸帶）。美國某公司開發(fā)的連續(xù)單絲玻纖增強(qiáng)熱塑性浸淆PP帶，可用于制備熱塑性復(fù)合輸送管道和模壓厚度可控的熱塑性片材或型材，具有突出的機(jī)械力學(xué)性能和加工成形性；2)玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(GMT)。我國科學(xué)家發(fā)明了更輕質(zhì)的針刺玻纖氈增強(qiáng)PP熱塑性復(fù)合材料(S-GMT)，通過不同長纖維尺寸(15-25mm)的短切針刺氈作為纖維纏繞骨架結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)作用；3)連續(xù)纖維編織布增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(2D-CFT)，包括前浸潰和后浸漬、原應(yīng)聚合浸漬、混合纖維紗浸漬等各種先進(jìn)浸漬工藝技術(shù)與復(fù)合制備方法，提高了兩相界面結(jié)合強(qiáng)度與力學(xué)性能；4)多角度、多相復(fù)合結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維編織布增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(3D-CFT)，包括編織物(帶、布、氈)結(jié)構(gòu)、三明治夾層實(shí)心結(jié)構(gòu)與三明治夾心發(fā)泡結(jié)構(gòu)、Z型多層立柱結(jié)構(gòu)等新型CFT復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及熱塑性樹脂基體(Resin)的“原位”和“離位”增強(qiáng)增韌、結(jié)構(gòu)/功能一體化的設(shè)計(jì)與全自動(dòng)化智能制造技術(shù)發(fā)展，從而提高高性能的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRT)的綜合性能。新加工技術(shù)1）注射浸漬成型技術(shù)(InsituT-RTM)根據(jù)不同CFT(GFRT和CFRT)的特性，熔融、預(yù)浸、成形等成型階段對(duì)設(shè)備和加工工藝都有其特定的技術(shù)要求。熱塑性樹脂基體(Resin)粘度高、浸潤纖維難，因此熱塑性預(yù)浸料制備是CFT與相關(guān)產(chǎn)品制備技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)。2013年，注塑機(jī)制造商成功研發(fā)原位聚合反應(yīng)的注射浸漬成型技術(shù)，使用注塑工藝技術(shù)將單體原位聚合與連續(xù)纖維的熱熔浸漬過程同步完成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、可控化、高效率的融熔浸漬過程與復(fù)合成形過程一體化，從而減少工藝流程、提高產(chǎn)品性能。其原理是將低粘度系數(shù)的單體ε-己內(nèi)酰胺(或CBT，環(huán)氧烷)在高速低壓下注射到連續(xù)纖維(GF、CF)周圍，然后在模具中單體原位聚合反應(yīng)生成PA-6，隨后注塑進(jìn)入模具中成為產(chǎn)品或制件,成形時(shí)間為60-120秒。因類似熱固性聚合物樹脂(FRP)成形過程的RTM工藝技術(shù)原理，故又稱為熱塑性聚合物樹脂(Resin)成形的RTM工藝技術(shù)(即T-RTM)。與熱固性HP-RTM相比，優(yōu)勢在于：(1)原材料和制造成本低；(2)部件的抗沖擊韌性更優(yōu)越；(3)產(chǎn)品易于回收再利用，且具有可焊接性；(4)樹脂基體(Resin)粘度低似水，更容易連續(xù)纖維(帶、布、氈)的浸漬過程與提高效率。早在2010年，兩家公司分別第一次在兩個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的成型單元中現(xiàn)場展示，再次證明了這項(xiàng)技術(shù)的可行性。圖1.原位聚合反應(yīng)的注射浸漬成型技術(shù)

（a）

（b）圖2.InsituTRM工藝技術(shù)制作的兩種FRT制件，(a)為GFRT復(fù)合材料(連續(xù)GF布)制作的汽車制動(dòng)踏板，(b)為CFRT復(fù)合材料(連續(xù)CF布)制作的運(yùn)動(dòng)護(hù)腿板。2)間隙浸漬技術(shù)(GIT)2014年3月德國教授發(fā)明的反應(yīng)注射加壓間隙浸漬成型技術(shù)。這種工藝技術(shù)具有通用性好，適合熱固性/熱塑性樹脂基體(Resin)復(fù)合體系，成型時(shí)間快(2-5分鐘)、成型溫度低(120-150℃)、模具加壓壓力大(>25bar)，同時(shí)操作相對(duì)簡易、可控性好、穩(wěn)定性好，設(shè)備投資成本低，易于制件實(shí)現(xiàn)大批量自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，較適用于制造光滑曲面要求，又是非復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的汽車結(jié)構(gòu)零部件。GIT技術(shù)也可適用于熱固性樹脂HP-RTM工藝，在真空模腔內(nèi)可調(diào)節(jié)較高的模壓壓力和成形溫度，以及經(jīng)過兩個(gè)注射RTM工藝過程用于制備大型汽車零部件，故又稱為高壓注射RTM-HP-RTM工藝技術(shù)。2012年德國公司用GIT技術(shù)生產(chǎn)制造轎車CFRP引擎蓋。圖3.反應(yīng)注射加壓浸漬成型技術(shù)(GIT)示意圖圖4.德國公司用GIT技術(shù)生產(chǎn)的轎車引擎蓋(CFRP)3)連續(xù)運(yùn)行雙帶滾輪等靜壓技術(shù)（DBP）全自動(dòng)運(yùn)行鋪帶是一種更快速的自動(dòng)化生產(chǎn)CFT復(fù)合材料預(yù)浸帶的新技術(shù)與新裝備。連續(xù)運(yùn)行雙帶滾輪等靜壓技術(shù)（DBP）可實(shí)現(xiàn)高速的熱塑性預(yù)浸帶和半成品片材的加工成型。DBP恒溫壓力機(jī)可對(duì)兩種或兩種以上的單層編織物(布)與兩種或多種熱塑性樹脂基體薄膜(0.01-2mm)進(jìn)行熱熔融復(fù)合，并施以均勻的等靜壓力，同時(shí)加熱塑化、冷卻，在各個(gè)點(diǎn)上的抗拉伸和扭曲強(qiáng)度等可以保持基本一致。在入口、高溫加熱、冷卻區(qū)溫度通過加熱和冷卻板來控制溫度高低變化，可以滿足不同CFT熱塑性片材生產(chǎn)。DBP技術(shù)優(yōu)勢：1)高溫、高壓和高速運(yùn)行—體化完成；2)根據(jù)CFT所需的具體溫度變化，分別對(duì)上部和底部的每一個(gè)單獨(dú)區(qū)域進(jìn)行溫度變化自動(dòng)實(shí)時(shí)的精確控制；3)加壓區(qū)在維持等靜壓力的同時(shí)，分別進(jìn)行加熱和冷卻過程處理，消除內(nèi)應(yīng)力。圖5.德國某公司DBP壓力機(jī)的CFT熱塑性預(yù)浸料(片材)生產(chǎn)線裝置4)熱塑性預(yù)浸料(片材)的深加工技術(shù)CFT熱塑性預(yù)浸料(片材)常見成型方法：注塑成型，工藝簡單，連續(xù)批量生產(chǎn)；水輔注射成型，比氣體輔助注射成型周期更短；熱壓成型，在高壓、高溫下用于制件低應(yīng)變率的制備方法，可以形成高密度和緊密實(shí)的CFT；真空加熱成型，需要用CFT熱塑性預(yù)浸料片材經(jīng)過真空加熱模具、保溫保壓，再冷卻后脫模成型，在由壓縮空氣產(chǎn)生的壓力下單層薄膜成型工藝過程，加熱溫度可控，并且可以在保持指定的溫度再冷卻到室溫，以達(dá)到更好的消除內(nèi)應(yīng)力效果；冷膜模壓成型（CDF），是基于加熱模壓成型技術(shù)發(fā)展的一種新技術(shù)，可提高CFT量產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，CFT熱塑性預(yù)浸料固定在一個(gè)凹陷的內(nèi)模，并放置在紅外加熱室，聚合物背襯料固定在預(yù)浸料表面加熱到需要的成形溫度，并加壓和通惰性氣體或真空下成型，溫度下降后再從模具中取出。市場上已利用冷隔膜模壓成型技術(shù)制作直升飛機(jī)CFRT外殼，還有GFRT熱塑性預(yù)浸帶（絲）纏繞成型和熱擠出板材等工藝技術(shù)制造輸送管道與建筑板材。圖６．冷膜模壓CFT熱塑性預(yù)浸料(片材)成型過程的生產(chǎn)示意圖圖７．用冷膜成型技術(shù)制造CFRT的直升飛機(jī)機(jī)械護(hù)5）纖維預(yù)浸帶(絲)的全自動(dòng)化鋪放技術(shù)自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)是飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)化成型的關(guān)鍵制造技術(shù)之一，可分為：自動(dòng)纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放技術(shù)和自動(dòng)纖維帶鋪放技術(shù)。前者適用于平面型或低曲率的曲面型，或者說準(zhǔn)平面型復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層制造；后者綜合了自動(dòng)纖維纏繞與自動(dòng)纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面型CFT熱塑性纖維預(yù)浸帶(絲)的鋪層與制造。CFT自動(dòng)纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放技術(shù)可以用于加工的原料通常為連續(xù)玻纖或碳纖維的單向增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸帶(絲)。在自動(dòng)纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放過程中，以碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶為加工對(duì)象，結(jié)合原位固化技術(shù)來生產(chǎn)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件，是飛機(jī)制造業(yè)一個(gè)重要發(fā)展趨勢，據(jù)報(bào)道已應(yīng)用到空客A380和A350中。除熱塑性樹脂(Resin)具有良好的可焊接性、抗沖擊韌性高、可循環(huán)使用性、抗化學(xué)腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)外，原位固化新技術(shù)與常用的熱壓罐技術(shù)相比，還具有不受加工場地、零件尺寸大小和外觀形狀限制等優(yōu)點(diǎn)，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，原位固化成型技術(shù)加工的纖維預(yù)浸帶(絲)鋪層層間強(qiáng)度為高壓固化成型加工的89-97%。CFT熱塑性預(yù)浸料的纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放技術(shù)是未來構(gòu)件制造發(fā)展的一個(gè)重要方向。發(fā)展的主要制約因素：(1)適合碳纖維單向增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRT)預(yù)浸絲帶（絲）的自動(dòng)生產(chǎn)化的低粘度和超低粘度的樹脂品種少。目前，少量這類CFRT預(yù)浸絲或預(yù)浸帶可通過實(shí)驗(yàn)室制作，但質(zhì)量不穩(wěn)定，不利于纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放工藝與鋪層特性研究；(2)自動(dòng)化的CFT熱塑性纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放設(shè)備缺乏。2014年，我國某公司領(lǐng)先研發(fā)成功國內(nèi)自主開發(fā)的一條碳纖維單向排列增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRT)預(yù)浸帶生產(chǎn)線，并用于制造IT電子、體育運(yùn)動(dòng)器材等產(chǎn)品。6）3D打印制造技術(shù)據(jù)報(bào)道，2012年美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功研發(fā)出高強(qiáng)度CFRT的3D打印技術(shù)。該技術(shù)使用的基體為聚醚酰亞胺(PI)與及其它樹脂材料，特別可以由3D打印CFRT汽車機(jī)械部件。在英國，3D打印的新型導(dǎo)電CFRT部件成功研制出來，可以應(yīng)用在IT電子產(chǎn)品中，使產(chǎn)品的制造成本大大降低。新應(yīng)用及趨勢FRT(GFRT和CFRT)是當(dāng)前最有發(fā)展前途的高性能汽車輕量化材料之一，相比傳統(tǒng)非可再生的FRP和鋁鎂金屬材料，價(jià)格也更具有競爭力，同時(shí)又具有復(fù)合材料和制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成型制造一體化完成的突出優(yōu)勢，更加節(jié)能與環(huán)保。近期,某市場咨詢調(diào)研公司發(fā)布最新報(bào)告指出，從2015年至2025年，碳纖維復(fù)合材料(CFRT和CFRP)將有望成為全球汽車市場的主流使用關(guān)鍵材料，市場價(jià)值估算達(dá)到60億美金。FRT不但是汽車工業(yè)優(yōu)選的輕量化材料，近年來傳統(tǒng)FRP使用的航空工業(yè)也開始高度關(guān)注與研發(fā)CFRT應(yīng)用的可行性。在A350XW問世之前，投入巨資研發(fā)CFRT和部件制造技術(shù)，己經(jīng)有超過1500個(gè)不同的飛機(jī)零部件采用CFRT生產(chǎn)，如連續(xù)編織物CF/PPS復(fù)合材料艙門;美國隱身戰(zhàn)斗機(jī)上也采用CF/PEEK復(fù)合材料制造非金屬緊固件，起到很好的吸收電磁波，達(dá)到隱身效果。FRT也因具有環(huán)保、低成本、高性能的品質(zhì)現(xiàn)己經(jīng)成為建筑行業(yè)的新寵材料。GFRT建筑模板、下水槽的GFRT蓋板、CFRT建筑柱加固等廣泛應(yīng)用。最近，某公司采用連續(xù)玻璃纖維編織布GFRT模壓制造彩色井蓋，并獲得普遍歡使用。連續(xù)纖維增強(qiáng)技術(shù)在汽車FRT應(yīng)用需求巨大，特別是CFRT更加廣泛應(yīng)用。從一些公司等分別或聯(lián)合推出FRT(GFRT和CFRT)汽車零部件、產(chǎn)品在線檢測工具，并且形成一個(gè)完整的從技術(shù)研發(fā)、自動(dòng)化生產(chǎn)與裝備、在線測試、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等系列配套的完整產(chǎn)業(yè)鏈。圖８．（a）與（b）為大型運(yùn)輸汽車結(jié)構(gòu)框架中可以用熱塑性復(fù)合材料(CFT)替代的部件；（c）為玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(GFRT）作為汽車部件；（d）為碳纖維增強(qiáng)熱塑性材料（CFRT）汽車結(jié)構(gòu)框架。圖９．圖中（a）指示大型運(yùn)輸汽車的電池箱外門位置；（b）演示熱塑性復(fù)合材料（GFRT）電池箱門代替鋼制門安裝更換功能可見，F(xiàn)RT(GFRT和CFRT)己經(jīng)成為國際上熱門的前沿技術(shù)發(fā)展方向。未來發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：1)多專業(yè)、跨行業(yè)、上下游全產(chǎn)業(yè)鏈一體化的聯(lián)合開發(fā)己經(jīng)成為一種有效的、快速的、互惠共利的協(xié)同發(fā)展模式；2)新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備趨向更加成熟與廣泛應(yīng)用；3)FRT材料數(shù)據(jù)庫建立、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真CAE技術(shù)的廣泛應(yīng)用；4)輕質(zhì)、高強(qiáng)、環(huán)保、低成本的連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料(CFRT)在新能源電動(dòng)汽車上將優(yōu)先獲得應(yīng)用。FRT雖然具