復合材料是由兩種或兩種以上不同物理特性或不同化學物質通過復合，組成多相、三維結合且各相之間有明顯界面、具有特殊性能的材料，主要由增強材料和基體材料組成，其最大的特點是復合后材料的性能優于構成該復合材料的單一材料性能。
纖維增強熱塑性復合材料是復合材料中的重要一支，用玻璃纖維（GF）、碳纖維（CF）、芳綸纖維（AF）及其它纖維材料，對各種熱塑性樹脂進行增強，國外稱之為FRTP（Fiber Reinforced ThermoPlastics）。先進的纖維增強熱塑性復合材料具有韌性耐蝕性和抗疲勞性高、成型工藝簡單周期短、材料利用率高（無廢料）、無需低溫貯存等優異性能，而成為了材料行業研究的熱點。
FRTP的典型性能優勢
熱塑性復合材料FRTP成熟應用已經有數十年的歷史了，與酚醛樹脂、脲醛樹脂、環氧樹脂、聚氨酯等熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料具有一些特殊的性能：
◆ 密度小、強度高：FRTP的密度為1.1-1.6g/cm3，僅為鋼材的1/5-1/7，比熱固性玻璃鋼輕1/3-1/4，能夠以較小的單位質量獲得更高的機械強度及應用檔次。
◆ 性能可設計性的自由度大：FRTP的物理性能、化學性能、力學性能都是通過合理選擇原材料種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進行設計，由于基體材料種類比熱固性復合材料多很多，最主要的包括聚醚酮酮（PEKK）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、尼龍（PA）、聚醚酰亞胺（PEI）等，因此，其選材設計的自由度也就大得多。
◆ 熱性能：一般塑料的使用溫度為50-100℃，用玻璃纖維增強后，可提高到100℃以上。PA6的熱變形溫度為65℃，用30%玻纖增強后，熱變形溫度可提高到190℃。PEEK的耐熱性達220℃，用30%玻纖增強后，使用溫度可提高到310℃，熱固性復合材料是達不到如此高的耐熱性的。
◆ 耐化學腐蝕性：主要由基體材料的性能決定，熱塑性樹脂的種類很多，每種樹脂都有自己的防腐特點，因此，可以根據復合材料的使用環境和介質條件，對基體樹脂進行優選，一般都能滿足使用要求。FRTP的耐水性也優于熱固性復合材料。
◆ 電性能：FRTP一般都具有良好的介電性能，不反射無線電電波，透過微波性能良好等。由于FRTP的吸水率比熱固性玻璃鋼小，故其電性能優于后者。在FRTP中加入導電材料后，可改善其導電性能，防止產生靜電。
◆ 廢料能回收利用：FRTP可重復加工成型，廢品和邊角余料能回收利用，而物理機械性能并不發生顯著的變化，不會造成環境污染，很好地適應了當今世界對材料產業所提出的環保要求。
FRTP的分類
FRTP的種類繁多，這個行業也充斥著太多的術語英文簡稱，可謂剪不斷，理還亂。
按照制品中纖維保留尺寸（L）可以分為：短纖維增強熱塑性塑料（SFRT，L＜1.0 mm）、長纖維增強熱塑性塑料（LFT或LFRT，一般L＞10 mm）、連續纖維增強熱塑性復合材料塑料（CFRT，一般纖維連續不切斷）。
與SFRT相比，LFT具有低密度、高比強度、高比模量和抗沖擊性強等特性，適用于嚴苛的應用條件，這也成為LFT受到下游應用行業青睞的主要原因之一。應用較為普及的LFT材料大致可以歸納為三大類：玻璃纖維氈增強熱塑性塑料GMT（Glass Mat Reinforced Thermoplastics）、長纖維增強熱塑性塑料粒料LFT-G（Long-Fiber Reinforced Thermoplastic Granules）和長纖維增強熱塑性塑料直接在線成型LFT-D（Long-Fiber Reinforced Thermoplastic Direct）。
而CFRT可循環使用，具有高比強度和比剛度、良好的耐腐蝕性、耐沖擊性、耐熱性、低成本以及設計靈活性，在汽車輕量化設計中具有巨大的應用潛力，可替代部分金屬材料和高端聚合物材料。
FRTP的應用
隨著剛性、耐熱性及耐介質性能優良的芳香族熱塑性樹脂基體（如PEEK、PPS）的出現，以及具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優異性能的碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等高性能纖維的發展，使先進FRTP應用在越來越廣泛的工業領域，如：軌道交通、汽車、航空航天、家電用具、電力等行業。
◆ 航空航天
FRTP具備高剛度、低加工成本和重新加工能力，擁有良好的阻燃、低煙和無毒性能，固化周期可以以分鐘記，這些固有屬性使其成為輕質、低成本航空結構的理想材料。
在航空機體結構件中，FRTP主要應用在地板、前緣、控制面和尾翼零件上，這些零件都是外形比較簡單的次承力構件。空客A380客機、空客A350客機、灣流G650公務機和阿古斯塔·韋斯特蘭AW169直升機都是熱塑性機體結構件的應用大戶。空客A380客機上最重要的FRTP結構件是玻璃纖維/PPS材料的機翼固定前緣。空客A350客機機體的FRTP主要分布在可移動翼梁和肋上以及機身連接。灣流G650公務機在FRTP應用方面是一個里程碑，它的壓力隔框肋板則使用了碳纖維/PEI材料，而方向舵和升降舵都使用了碳纖維/PPS材料（圖1）。
◆ 汽車
開發低成本、短周期和高質量的復合材料技術成為推動汽車輕量化的關鍵要素之一。國內很多車企都已經與有先進復合材料技術的注塑設備企業取得合作。在乘用車中應用為：座椅及其骨架、車窗導槽、門內板、保險杠支架、發動機罩、前端托架、腳踏板、儀表板骨架、導流板、車廂底板、備胎箱、蓄電池托架、汽車進氣歧管。國內汽車中帕薩特、POLO、寶來、奧迪A6、高爾夫、別克凱越、別克GL8商務車等車型已采用大量高性能FRTP零部件，其中大部分采用了GMT或者LFT（圖2）。
在箱式貨車方面的應用，主要是PP蜂窩復合板，替代目前箱式貨車中的鋼制框架外蒙鋁合金小波紋板和鋼制瓦楞板。
◆ 軌道交通
按承力特征大致可分為兩類：復合材料主承力件和復合材料非主承力件。復合材料主承力件主要是指列車車體、司機室和轉向架構架等列車的大型承力構件，它是復合材料取代傳統材料，實現車輛輕量化的關鍵。而復合材料非主承力件可分為非主承力件（如車身、地板和座椅等非主承力件）和輔助件（洗漱間、廁所和水箱等輔助構件）。
常見的FRTP成型工藝
由原材料轉化為FRTP結構件產品的關鍵工藝步驟是成型工藝，是該行業發展的基礎和條件。隨著復合材料應用領域的拓寬，復合材料工業得到迅速發展，一些成型工藝日臻完善，新的成型方法不斷涌現，目前FRTP的成型方法已有20多種，并成功地用于工業生產。下面從這些方法中挑選幾個使用較多的成型方法來進行簡單介紹。
◆ 注射成型
注射成型是FRTP的主要生產方法，歷史悠久，應用最廣。其優點是成型周期短，能耗最少，產品精度高，可一次成型復雜及帶有嵌件的制品，一模能生產幾個制品，生產效率高。缺點是對生產纖維增強復合材料和對模具質量的要求較高。根據目前的技術發展水平，注射成型的最大產品為5kg，最小到1g，這種方法主要用來生產各種機械零件、建筑制品、家電殼體、電器材料、車輛配件等。
FTRP成型技術已經在汽車結構部件中得以量產化應用。目前，已經有數家注塑設備供應商，國外即ENGEL恩格爾、KraussMaffei克勞斯瑪菲等，國內即伯樂塑機等，走在該技術的最前沿。
伯樂塑機的長纖維增強復合材料直接注塑成型（在線混煉注塑成型）LFT-D-IM，是把擠出機的連續生產和注塑機的間歇生產結合在一起，經過雙螺桿配混的材料直接注入模具內，實現多個工序、多種材料一次成型，降低能耗，提高效率，減少材料的熱降解，提高產品性能。該技術廣泛適用于汽車、家電、新能源、軌道交通、航空以及消費電子等領域（圖3）。
阿博格ARBURG在Chinaplas2022展覽會上將展出一臺大型液壓注塑機ALLROUNDER 820 S，它針對纖維直接混料注塑（fibre direct compounding，FDC）進行了優化，具有4000kN合模力和3200的注射單元，配備70毫米專用螺桿，用于加工長玻璃纖維。FDC是一種輕量化工藝，通過一個注射單元旁的側面給料裝置將長達50毫米的纖維直接送入液態熔液中，特點在于材料可用性高，相較于特殊長纖維顆粒，成本降低多達40 %。通過FDC工藝生產的產品是塑料加工行業一種創新技術，特別在汽車制造和航空航天行業通過個性化調節玻纖長度來實現需要的物理性能（圖4）。
◆ 擠出成型
擠出成型是FRTP制品生產中應用較廣的工藝之一。其主要特點是生產過程連續、生產效率高、設備簡單、技術容易掌握等。擠出成型工藝主要用于生產管、棒、板及異型斷面型等產品。
◆ 纏繞成型
FRTP的纏繞成型工藝是先將浸漬樹脂的連續纖維（預浸紗）預熱，并纏繞在芯軸上，同時持續加熱使樹脂熔融，再通過施加壓力使預浸料逐層粘合成一體，逐層粘合、冷卻后得到相應構件制品。此法適于制造圓筒和球狀制品，再現性較好，性能較穩定。
◆ 拉擠成型
拉擠成型工藝（pulling extrusion，pultrusion）是將預浸紗在牽引力的作用下，通過擠壓模具成型、固化，連續不斷地生產長度不限的中空、異型制品。
若需要得到長而薄的門窗型材或混凝土鋼筋，就到了拉擠工藝粉墨登場的時候了。拉擠型材中的纖維與載荷方向完全一致，令到成品在材料和重量方面特別的優秀。2017年，KraussMaffei率先推出了拉擠交鑰匙成套系統 - 艾譜iPul（圖5），并在建筑、風能和汽車行業持續地產生出濃厚的興趣。艾譜系統整合了樹脂注射與型材牽引線，可以將玻璃纖維和碳纖維實現拉擠成型工藝的全過程控制，助力復合材料型材生產提升效率，降低成本。iPul系統帶有模具、計量機器和各種附件，可達到3米/分鐘的高生產速度。與材料合作伙伴科思創Covestro、亨斯邁Huntsman和贏創Evonik的密切合作，使得對高反應性基體材料的處理成為可能。
熱塑性復合材料拉擠專家——法國CQFD公司開發了原位拉擠工藝，即纖維紗或織物在外力牽引下，浸潤己內酰胺單體和引發劑后，在定型模具內成型和加熱聚合，最終制成產品。該工藝成型的制品的纖維體積分數可以達到70%，纖維方向上拉伸模量可以達到60 GPa（增強纖維為玻璃纖維），具有優良的比強度和比模量。這一工藝應用于CQFD公司與彼歐公司、現代汽車一同開發的FRTP防撞梁，其主體成型采用原位拉擠工藝，材質為連續玻璃纖維增強PA6（商品名為C-SHOCK®），隨后通過包覆注塑工藝，引入防撞梁的安裝點，整個方案相比金屬梁方案減重43%（3.7 kg）。隨著未來幾年碳纖維的成本有可能降低，這一突破性概念將有助于汽車行業的減重目標，以達到節能目標（圖6）。
◆ 模壓成型
模壓成型是將熱塑性預浸料裁剪鋪疊后，放入模具中升溫加熱，待升溫至成型溫度后，通過壓機對預浸料鋪層進行加壓，固化得到板材、片材或其他簡單形狀的制品。這種方法的成型周期一般在幾十秒至幾分鐘內完成，能耗、生產費用均較低，生產率高，是目前FRTP成型加工中最常見的一種成型方法，主要用于生產汽車車門、儀表盤、前端框架、車內板等。
對于一些復雜的特征、安裝位及加強筋，使用模壓成型很難實現，因此市場上出現了模壓結合注塑的成型工藝，如ENGEL的Organomelt工藝、KraussMaffei的FiberForm工藝、伯樂的OIHM工藝。
KraussMaffei于2018年在美國NPE展覽上首推的FiberForm工藝，是熱成型技術和注塑成型的完美結合，實現高度的功能集成，可應用于座椅托架和靠背、儀表板支架、車門模塊、側面防撞保護裝置、蓄電池支架等部件。該工藝分為六個步驟（圖7）：先提取片材預料，在烘箱內對其進行加熱處理，緊接著移至模具，合模熱壓成型。在此基礎上背部注塑，最終開模取件。該工藝不僅能組合使用輕量化材料與設計，提高復合材料強度，還易于實現自動化，在緊湊的空間內完成高效的生產。fiberForm技術應用在減少材料用量的同時，可大大減少材料生產中的碳排放量，助力“雙碳”可持續發展目標的實現。
◆ 樹脂傳遞模塑成型（RTM）
樹脂傳遞模塑工藝（RTM）是在模具內先把增強材料預料及嵌件裝好并夾緊后，通過適當位置的注入口，以一定溫度和一定壓力注入樹脂，然后固化成型，開模即得制品。此法對設備、模具要求不高，投資少，生產成本低，可生產其它壓力成型方法無法制造的大型制品，適于制造質量15-25kg的產品，是近年來發展較為迅速的適宜多品種、中批量、高質量的先進復合材料成型工藝，主要用于生產汽車車身板、保險杠、齒輪箱殼體、小卡車車廂等。
在高效生產大型、堅固的輕量化結構零部件時，采用ENGEL公司的HP-RTM高壓樹脂傳遞模塑技術，將干燥的纖維半成品在注入的樹脂中浸漬，然后在加熱條件下固化，可生產出具有更好的成形性和高品質的平面形汽車零部件，如品質和堅固性上乘的車頂系統、車身件（圖8）。
市場現狀與前景
雖然FRTP被許多人看作是下一個材料技術突破，但多年下來，其應用仍顯有限，在國內市場的滲透率并未達預期。究其原因，可能要從技術、性能、成本幾個方面來尋找答案。
首先，與熱固性復合材料相比，FRTP的初始成本往往會更高，加工溫度較高，工裝模具的成本通常也較高，傳統的零件制造商可能不熟悉現代的FRTP加工技術，其局限性往往就會被放大，認為FRTP比不上熱固性復合材料。FRTP的優勢和利用價值沒有得到充分認識和開發，直接影響到了市場需求量的正常增長，從供需源頭上阻礙了FRTP的進一步發展和應用。其次，FRTP制造技術要求高，在一定程度上限制了一些技術水平和生產能力不夠的企業進入。再者，原材料成本高，高端的熱塑性樹脂價格也是普通的熱固性環氧樹脂的數十倍，再加上制作技術要求高，種種因素的疊加，導致了FRTP，特別是使用PEEK、PI這些高端的熱塑性樹脂為基體的復合材料制品的價格令人望而生畏，下游應用需求遭到扼制。最后，我國仍缺乏材料制備和結構成型相關的關鍵技術及設備。
盡管如此，一旦當技術質量達到了要求，當價格成本降到了市場能接受的范圍，當科研成果很好地轉化為生產力，隨著航空制造、汽車、電子電氣、風能、高端醫療設備、智能化機械等行業的快速發展，我國的FRTP產業必將迎來一個新的發展階段，在未來幾年收獲更多的市場機遇和份額空間，前景依然值得期待。（作者：馮大勇，來源：榮格-《國際塑料商情》）
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