碳纤维热塑与冷塑：材料界的“双雄争霸”

行业动态 / 2024-08-05 17:00:44
碳纤维热塑与冷塑，是碳纤维复合材料中的重要分类。
碳纤维热塑：热塑性碳纤维复合材料是以碳纤维丝束为增强体，采用热塑性树脂作为基体的材料。常见的热塑性树脂有聚酰胺（PA6）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等。其特点是在一定温度下能够软化或熔融，冷却后可保持形状。具有良好的可回收利用性、抗疲劳性和自润滑性能，在一些特殊领域如医疗器械、高端机械等有出色表现。
碳纤维冷塑：也称为碳纤维热固性复合材料，以碳纤维为增强材料，热固性树脂如环氧树脂为基体。成型后形成交联的三维网状结构，具有较好的强度、耐热性和耐化学腐蚀性，但脆性较大，耐候性和韧性相对较差，难以回收利用。
碳纤维热塑与冷塑的主要成分包括碳纤维丝束和树脂基体。碳纤维丝束通常由聚丙烯腈（PAN）基、沥青基、粘胶基等制成，含碳量高，具有高强度、高模量等特性。而树脂基体则决定了复合材料的加工性能和最终使用性能。
总之，碳纤维热塑与冷塑在成分和性能上各有特点，应用场景也有所不同，为不同领域的需求提供了多样化的选择。

碳纤维热压高强度与高刚度热塑碳纤维的拉伸强度可高达 2500MPa 以上，弹性模量能达到 230GPa 以上。例如在航空领域，其高强度和高刚度的特性使得飞机零部件能够承受巨大的压力和力量，保障飞行安全。热塑碳纤维的密度仅约 1.6g/cm³，比钢材轻得多，这为制造轻量化产品提供了可能。在汽车制造中，使用热塑碳纤维能减轻车身重量，提高燃油效率。它能够在宽温范围内使用，在高温下仍保持稳定，对多种腐蚀性介质具有良好抵抗力。像在化工行业，热塑碳纤维制成的设备能够抵御化学物质的侵蚀。热塑性树脂流动性高，使得热塑碳纤维制品生产快速完成，大幅提高生产效率。比如在电子设备外壳的制造中，能快速成型满足市场需求。热塑碳纤维上的热塑性树脂可通过加热冷却实现再利用。例如在一些高端机械的零部件生产中，回收利用能降低成本，减少资源浪费。总之，碳纤维热塑凭借这些突出优点，在众多领域展现出广阔的应用前景。

（一）热压罐成型

优点：
  • 压力均匀，各点法向压力相等，使制件各处在相同压力下固化成型，产品质量稳定。
  • 温度均匀且可调控，罐内循环热气流加热，各处温度温差小，还配备冷却系统，严格控制温度在工艺范围内。
  • 适用范围广，适合大面积复杂型面和简单形状的制品，小型件可一次多件同时固化。
  • 成型工艺稳定可靠，孔隙率低、树脂含量可控且均匀，加压时可抽真空，使低分子物易于排出。
缺点：
  • 设备庞大复杂、造价高，投资大。
  • 每次使用消耗水、电、气等能源多，还需真空袋膜、密封胶条等辅助材料，生产成本高。
适用场景：常用于飞机机身、方向舵、升降舵、机翼蒙皮、尾翼等结构部位的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的生产，适用于大型且结构复杂结构件的制造。

（二）模压成型

优点：
  • 制品内应力很低，翘曲变形小，产品表面光洁，尺寸精度高。
  • 机械性能稳定，制品的收缩率小且重复性较好。
  • 生产效率高，能一次成型结构复杂的制品，便于实现批量生产专业化和自动化。
缺点：
  • 模具制造复杂，成本较高。
  • 整个制作工艺成型周期较长。
  • 对完全充模这类技术问题的解决存在一定难度。
适用场景：适用于较大的平板状制品的成型，如碳纤维板等。
碳纤维热塑与冷塑在未来有望实现更多技术突破。例如，在原材料方面，研发更高性能的碳纤维丝束和新型热塑性树脂，以进一步提升复合材料的强度、韧性和耐热性等性能。在成型工艺上，不断优化现有工艺，如提高热压罐成型的效率、降低模压成型的成本等，同时探索新的成型方法，如 3D 打印技术在碳纤维复合材料制造中的应用，以实现更复杂结构的制造。
随着各行业对高性能材料需求的持续增长，碳纤维热塑与冷塑的市场需求将不断扩大。在航空航天领域，为实现飞行器的轻量化和高性能，对碳纤维复合材料的需求将持续增加，特别是热塑性碳纤维在内饰和结构件中的应用有望进一步拓展。汽车行业在追求节能减排和提高安全性的趋势下，将更多地采用碳纤维热塑与冷塑复合材料来减轻车身重量、增强结构强度。此外，新能源领域如风电叶片、光伏设备等对碳纤维材料的需求也将呈现上升态势。
环保要求的日益严格将推动碳纤维热塑与冷塑的发展。热塑性碳纤维复合材料的可回收利用特性使其在环保方面具有显著优势，符合未来产业发展的趋势。这将促使企业加大对热塑性碳纤维的研发和生产投入，以满足市场对环保材料的需求。
碳纤维热塑与冷塑在未来还有望在更多领域得到应用。在电子通信领域，可用于制造高性能的电子设备外壳和天线，以满足设备对轻量化、高强度和良好电磁屏蔽性能的要求。在智能家居领域，可用于制造家具和电器的零部件，提升产品的品质和耐用性。在能源存储领域，如电池外壳和储能设备结构件，利用其优异的性能提高能源存储系统的安全性和稳定性。
总之，碳纤维热塑与冷塑在未来具有广阔的发展前景，随着技术的不断进步和市场需求的变化，它们将在更多领域发挥重要作用，为各行业的发展带来创新和突破。



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