碳纖維復(fù)合材料在不少新興行業(yè)開(kāi)里始發(fā)揮出巨大的應(yīng)用潛力，比如新能源汽車上儲(chǔ)氫瓶、車身結(jié)構(gòu)件，低空經(jīng)濟(jì)環(huán)境下的無(wú)人機(jī)，風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的風(fēng)機(jī)葉片等，加上原本在傳統(tǒng)工業(yè)制造領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)的極為可靠的性能優(yōu)勢(shì)，使之成為了不可多得的戰(zhàn)略材料之一。熱塑性碳纖維作為性能更好的碳纖維復(fù)合材料類型，它的應(yīng)用前景一直受到關(guān)注，不過(guò)熱塑性碳纖維的制備難度更高，在碳纖維產(chǎn)業(yè)整體價(jià)格水平相對(duì)較高的現(xiàn)階段，大批量應(yīng)用還未能實(shí)現(xiàn)。智上新材料帶你了解制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料的幾種常用方式，同時(shí)深入探究一下不同制備方式生產(chǎn)出的熱塑性碳纖維復(fù)合材料的性能表現(xiàn)差異。

　　制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料的常用方式有哪些？

　　現(xiàn)階段，制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料的常用方式主要包括熱壓成型工藝、自動(dòng)鋪放工藝、注塑成型工藝、模壓成型工藝、拉擠成型工藝和3D打印工藝等。這些工藝根據(jù)材料形式、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品需求的不同而發(fā)生變化，而且不同工藝的選擇與碳纖維形態(tài)、樹(shù)脂基體類型、應(yīng)用場(chǎng)景、產(chǎn)品外形等因素具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)。正是因?yàn)橛辛诉@些不同工藝，讓熱塑性復(fù)合材料在加工靈活性和可回收性上取得了較大的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)其在汽車、航空航天及消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展。

　　不同方式制備出的熱塑性碳纖維復(fù)合材料的性能表現(xiàn)差異解析

　　不同制備方式對(duì)熱塑性碳纖維復(fù)合材料的性能表現(xiàn)具有顯著影響，影響制備方式的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括纖維取向、界面結(jié)合、孔隙率、溫度和結(jié)晶度等，而且這些影響通常并不是單一作用，而且多種參數(shù)共同作用，從而導(dǎo)致熱塑性碳纖維復(fù)合材料的最終性能差異巨大。

　　1、纖維長(zhǎng)度與取向?qū)Ρ?/strong>

　　a、連續(xù)碳纖維：適用于熱壓成型、自動(dòng)鋪放（AFP）、拉擠成型

　　使用連續(xù)碳纖維（單向帶或織物），纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)和取向可控，性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在高強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度可達(dá)2000 MPa以上）、高模量（高于120 GPa）、抗沖擊性好，各向異性顯著，可應(yīng)用于航空航天主承力結(jié)構(gòu)、高性能運(yùn)動(dòng)器材等。

　　b、短切碳纖維：注塑成型、模壓成型

　　纖維被剪切為短切纖維（通常低于1 mm），隨機(jī)取向或部分取向，性能上力學(xué)強(qiáng)度較低（拉伸強(qiáng)度約100-300 MPa），但各向同性較好，適合復(fù)雜形狀的碳纖維制品加工。另外可利用長(zhǎng)切碳纖維（提升至5-20 mm）提升整體力學(xué)強(qiáng)度（可提升30%-50%）。

　　2、樹(shù)脂浸潤(rùn)與界面結(jié)合對(duì)比

　　a、預(yù)浸料工藝：熱壓成型、自動(dòng)鋪放（AFP）

　　碳纖維預(yù)先浸漬樹(shù)脂形成預(yù)浸料，加熱加壓后樹(shù)脂二次熔融，可使得界面結(jié)合更均勻，優(yōu)勢(shì)在于孔隙率低（低于1%），纖維與樹(shù)脂結(jié)合緊密，層間剪切強(qiáng)度高（高于50 MPa）。

　　b、熔融浸漬工藝：模壓成型、注塑成型、拉擠成型

　　熱塑性樹(shù)脂在熔融狀態(tài)下浸潤(rùn)碳纖維，時(shí)間較短、壓力較低，但由于熱塑性樹(shù)脂熔融狀態(tài)下粘性較大，會(huì)導(dǎo)致浸潤(rùn)不足，孔隙率較高（2%-5%），界面結(jié)合較弱，導(dǎo)致層間性能下降。

　　3、力學(xué)性能對(duì)比

　　4、樹(shù)脂溫度與結(jié)晶度影響對(duì)比

　　a、高溫樹(shù)脂（如PEEK、PEKK）：

　　熱壓成型、自動(dòng)鋪放（AFP）：高溫高壓（380-400°C）促進(jìn)樹(shù)脂充分熔融和結(jié)晶，提升耐熱性（Tg>143°C）和耐化學(xué)性。

　　注塑成型：快速冷卻可能導(dǎo)致結(jié)晶度不均，降低長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性。

　　b、低溫樹(shù)脂（如PA6、PP）：

　　模壓成型：加工溫度低（200-250°C），結(jié)晶度較低，但生產(chǎn)效率高，適合汽車部件。

　　5、各向異性與設(shè)計(jì)靈活性對(duì)比

　　熱壓成型：可制作高性能的熱塑性碳纖維產(chǎn)品，但外形不能太復(fù)雜，而且加工周期較長(zhǎng)，適合航空航天等高端行業(yè)。

　　自動(dòng)鋪放（AFP）：通過(guò)編程控制纖維路徑，實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)（如飛機(jī)機(jī)翼的應(yīng)力集中區(qū)域），各向異性可控。

　　3D打印：設(shè)計(jì)自由度最高，但層間結(jié)合弱，導(dǎo)致Z軸強(qiáng)度僅為XY方向的10%-30%。

　　拉擠成型：纖維高度單向排列，僅適合特定截面型材（如桿、管）。

　　6、生產(chǎn)效率與成本對(duì)比

　　通過(guò)以上關(guān)鍵性參數(shù)的分析，智上新材料發(fā)現(xiàn)：

　　在力學(xué)性能方面，選用的碳纖維自身形態(tài)極為重要，結(jié)論為連續(xù)碳纖維 > 長(zhǎng)切碳纖維 > 短切碳纖維；在加工溫度和壓力方面，高溫高壓的制作工藝，包括熱壓成型和自動(dòng)鋪放（AFP）成型，帶來(lái)的界面結(jié)合效果更好，孔隙率更低；在冷卻速率方面，快速冷卻可能導(dǎo)致樹(shù)脂結(jié)晶不完整，影響耐熱性，其中包括注塑成型工藝。合理選擇成型工藝，可以在成本、性能、設(shè)計(jì)自由度之間找到最優(yōu)平衡，滿足不同工業(yè)領(lǐng)域的需求。