熱塑性復合材料（FRT）具有密度低、強度高、加工快、可回收等突出特點，屬于高性能、低成本、綠色環保的新型復合材料，已部分替代價格昂貴的工程塑料、熱固性復合材料(FRP)以及輕質金屬材料（鋁鎂合金），在飛機、汽車、火車、醫療、體育等方面有廣闊應用前景。本文概述了熱塑性復合材料(FRT)的種類、結構和性能特點，并詳細介紹了國內外最新加工技術、應用及發展趨勢，以及未來面臨的障礙和挑戰。
復合材料(Composite Material)分為兩種主要類型：熱固性（聚合物樹脂基）復合材料（FRP)和熱塑性（聚合物樹脂基）復合材料(FRT)，其中，FRT(如GFRT和CFRT, Fiber Weight%:40-85wt%)具有密度低（1.1-1.6g/cm3）、強度高、抗沖擊好、抗疲勞好、可回收、加工成型快、造價低等突出特點，屬于高性能、低成本、綠色環保的新型復合材料。
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)鋪層方式進行多組份、多相態、多尺度的宏觀與（亞）微觀的復合過程（含物理過程和化學過程）可以制備FRT，并根據要求進行復合材料結構與性能的設計和制造，達到不同物理、化學、機械力學和特殊的功能，最終使各種制品具有設計自由度大、尺寸穩定、翹曲度低、抗疲勞、耐蠕變等顯著優點，部分替代價格昂貴的工程塑料、非環保F RP和輕質金屬材料（如鋁鎂合金）。目前，FRT廣泛應用在電子、電器、飛機、汽車、火車、能源、船舶、醫療器械、體育運動器材、建筑、軍工等工業產品，近年，更隨著全球各國對節能減排、環保、可再生循環使用等要求的不斷提高，FRT獲得更快速發展，相關新材料、新技術、新設備不斷涌現。
基本種類根據制品中的最大纖維保留尺寸大小，FRP(GFRT和CFRT)可分為：(1)非連續纖維增強熱塑性復合材料(N-CFT)，包括短切纖維增強工程塑料(SFT，最大纖維保留尺寸0.2-0.6mm)；(2)長纖維增強熱塑性復合材料(LFT-G，LFT-D，最大纖維保留尺寸5-20mm)；(3)連續纖維增強熱塑性復合材料(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics, CFT，最大纖維保留尺寸>20mm;包括：玻纖氈增強型熱塑性復合材料GMT)。傳統成型工藝——注塑及模壓,可以實現N-CFT非結構件或半結構部件的制造（如汽車工程塑料部件），盡管與CFT相比，機械力學性能相差較大，但是能夠滿足一般民用工業產品的性價比使用要求，因此市場容量巨大，發展速度快，制造技術與應用相對成熟。國外公司己經實現LFT碳纖維復合材料工業化生產，并應用在需求高強度、輕量化的汽車非結構零部件，用以替代部分鋁合金材料零部件，同時還具有導電、導熱、耐磨、電磁屏蔽等特殊功能,這也已成為國內外改性塑料公司爭先開發與應用的新領域。CFT(主要包括GFRT和CFRT)是一種具有更高性能的輕量化新材料，也是近年來新技術發展最快的復合材料之一，可分為四種類型：1)連續單絲纖維單向排列的CFT（又稱單向連續纖維增強熱塑性復合材料預浸帶）。美國某公司開發的連續單絲玻纖增強熱塑性浸淆PP帶，可用于制備熱塑性復合輸送管道和模壓厚度可控的熱塑性片材或型材，具有突出的機械力學性能和加工成形性；2)玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料(GMT)。我國科學家發明了更輕質的針刺玻纖氈增強PP熱塑性復合材料(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構來實現增強作用；3)連續纖維編織布增強熱塑性復合材料(2D-CFT)，包括前浸潰和后浸漬、原應聚合浸漬、混合纖維紗浸漬等各種先進浸漬工藝技術與復合制備方法，提高了兩相界面結合強度與力學性能；4)多角度、多相復合結構的連續纖維編織布增強熱塑性復合材料(3D-CFT)，包括編織物(帶、布、氈)結構、三明治夾層實心結構與三明治夾心發泡結構、Z型多層立柱結構等新型CFT復合材料結構設計，以及熱塑性樹脂基體(Resin)的“原位”和“離位”增強增韌、結構/功能一體化的設計與全自動化智能制造技術發展，從而提高高性能的連續碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRT)的綜合性能。
新加工技術
1）注射浸漬成型技術(In situ T-RTM)
根據不同CFT(GFRT和CFRT)的特性，熔融、預浸、成形等成型階段對設備和加工工藝都有其特定的技術要求。熱塑性樹脂基體(Resin)粘度高、浸潤纖維難，因此熱塑性預浸料制備是CFT與相關產品制備技術的關鍵技術與難點。2013年，注塑機制造商成功研發原位聚合反應的注射浸漬成型技術，使用注塑工藝技術將單體原位聚合與連續纖維的熱熔浸漬過程同步完成，實現自動化、可控化、高效率的融熔浸漬過程與復合成形過程一體化，從而減少工藝流程、提高產品性能。其原理是將低粘度系數的單體ε-己內酰胺(或CBT，環氧烷)在高速低壓下注射到連續纖維(GF、CF)周圍，然后在模具中單體原位聚合反應生成PA-6，隨后注塑進入模具中成為產品或制件,成形時間為60-120秒。因類似熱固性聚合物樹脂(FRP)成形過程的RTM工藝技術原理，故又稱為熱塑性聚合物樹脂(Resin)成形的RTM工藝技術(即T-RTM)。與熱固性HP-RTM相比，優勢在于：(1)原材料和制造成本低；(2)部件的抗沖擊韌性更優越；(3)產品易于回收再利用，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復雜結構部件的成型單元中現場展示，再次證明了這項技術的可行性。圖1.原位聚合反應的注射浸漬成型技術（a）（b）
圖2.In situ TRM工藝技術制作的兩種FRT制件，(a)為GFRT復合材料(連續GF布)制作的汽車制動踏板，(b)為CFRT復合材料(連續CF布)制作的運動護腿板。
2)間隙浸漬技術(GIT)
2014年3月德國教授發明的反應注射加壓間隙浸漬成型技術。這種工藝技術具有通用性好，適合熱固性/熱塑性樹脂基體(Resin)復合體系，成型時間快(2-5分鐘)、成型溫度低(120-150℃)、模具加壓壓力大(>25bar)，同時操作相對簡易、可控性好、穩定性好，設備投資成本低，易于制件實現大批量自動化生產，生產效率高，較適用于制造光滑曲面要求，又是非復雜3D結構的汽車結構零部件。
GIT技術也可適用于熱固性樹脂HP-RTM工藝，在真空模腔內可調節較高的模壓壓力和成形溫度，以及經過兩個注射RTM工藝過程用于制備大型汽車零部件，故又稱為高壓注射R TM-HP-RTM工藝技術。2012年德國公司用GIT技術生產制造轎車CFRP引擎蓋。圖3.反應注射加壓浸漬成型技術(GIT)示意圖圖4.德國公司用GIT技術生產的轎車引擎蓋(CFRP)
3)連續運行雙帶滾輪等靜壓技術（DBP）
全自動運行鋪帶是一種更快速的自動化生產CFT復合材料預浸帶的新技術與新裝備。連續運行雙帶滾輪等靜壓技術（DBP）可實現高速的熱塑性預浸帶和半成品片材的加工成型。DBP恒溫壓力機可對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)進行熱熔融復合，并施以均勻的等靜壓力，同時加熱塑化、冷卻，在各個點上的抗拉伸和扭曲強度等可以保持基本一致。在入口、高溫加熱、冷卻區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。DBP技術優勢：1)高溫、高壓和高速運行—體化完成；2)根據CFT所需的具體溫度變化，分別對上部和底部的每一個單獨區域進行溫度變化自動實時的精確控制；3)加壓區在維持等靜壓力的同時，分別進行加熱和冷卻過程處理，消除內應力。圖5.德國某公司DBP壓力機的CFT熱塑性預浸料(片材)生產線裝置
4)熱塑性預浸料(片材)的深加工技術
CFT熱塑性預浸料(片材)常見成型方法：注塑成型，工藝簡單，連續批量生產；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變率的制備方法，可以形成高密度和緊密實的CFT；真空加熱成型，需要用CFT熱塑性預浸料片材經過真空加熱模具、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，以達到更好的消除內應力效果；冷膜模壓成型（CDF），是基于加熱模壓成型技術發展的一種新技術，可提高CFT量產能力和產品質量，CFT熱塑性預浸料固定在一個凹陷的內模，并放置在紅外加熱室，聚合物背襯料固定在預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制作直升飛機CFRT外殼，還有GFRT熱塑性預浸帶（絲）纏繞成型和熱擠出板材等工藝技術制造輸送管道與建筑板材。圖６．冷膜模壓CFT熱塑性預浸料(片材)成型過程的生產示意圖圖７．用冷膜成型技術制造CFRT的直升飛機機械護
5）纖維預浸帶(絲)的全自動化鋪放技術
自動纖維鋪放技術是飛機復合材料構件自動化成型的關鍵制造技術之一，可分為：自動纖維預浸帶(絲)鋪放技術和自動纖維帶鋪放技術。前者適用于平面型或低曲率的曲面型，或者說準平面型復合材料構件的鋪層制造；后者綜合了自動纖維纏繞與自動纖維預浸帶(絲)鋪放技術的優點，可以實現復雜曲面型CFT熱塑性纖維預浸帶(絲)的鋪層與制造。CFT自動纖維預浸帶(絲)鋪放技術可以用于加工的原料通常為連續玻纖或碳纖維的單向增強熱塑性復合材料預浸帶(絲)。在自動纖維預浸帶(絲)鋪放過程中，以碳纖維增強熱塑性樹脂基預浸絲或預浸帶為加工對象，結合原位固化技術來生產飛機復合材料構件，是飛機制造業一個重要發展趨勢，據報道已應用到空客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、可循環使用性、抗化學腐蝕性等優點外，原位固化新技術與常用的熱壓罐技術相比，還具有不受加工場地、零件尺寸大小和外觀形狀限制等優點，據文獻報道，原位固化成型技術加工的纖維預浸帶(絲)鋪層層間強度為高壓固化成型加工的89-97%。CFT熱塑性預浸料的纖維預浸帶(絲)鋪放技術是未來構件制造發展的一個重要方向。
發展的主要制約因素：(1)適合碳纖維單向增強熱塑性復合材料(CFRT)預浸絲帶（絲）的自動生產化的低粘度和超低粘度的樹脂品種少。目前，少量這類CFRT預浸絲或預浸帶可通過實驗室制作，但質量不穩定，不利于纖維預浸帶(絲)鋪放工藝與鋪層特性研究；(2)自動化的CFT熱塑性纖維預浸帶(絲)鋪放設備缺乏。2014年，我國某公司領先研發成功國內自主開發的一條碳纖維單向排列增強熱塑性復合材料(CFRT)預浸帶生產線，并用于制造IT電子、體育運動器材等產品。
6）3D打印制造技術
據報道，2012年美國橡樹嶺實驗室已經成功研發出高強度CFRT的3D打印技術。該技術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汽車機械部件。在英國，3D打印的新型導電CFRT部件成功研制出來，可以應用在IT電子產品中，使產品的制造成本大大降低。
新應用及趨勢
FRT(GFRT和CFRT)是當前最有發展前途的高性能汽車輕量化材料之一，相比傳統非可再生的FRP和鋁鎂金屬材料，價格也更具有競爭力，同時又具有復合材料和制件的結構設計與成型制造一體化完成的突出優勢，更加節能與環保。近期,某市場咨詢調研公司發布最新報告指出，從2015年至2025年，碳纖維復合材料(CFRT和CFRP)將有望成為全球汽車市場的主流使用關鍵材料，市場價值估算達到60億美金。
FRT不但是汽車工業優選的輕量化材料，近年來傳統FRP使用的航空工業也開始高度關注與研發CFRT應用的可行性。在A350XW問世之前，投入巨資研發CFRT和部件制造技術，己經有超過1500個不同的飛機零部件采用CFRT生產，如連續編織物CF/PPS復合材料艙門;美國隱身戰斗機上也采用CF/PEEK復合材料制造非金屬緊固件，起到很好的吸收電磁波，達到隱身效果。
FRT也因具有環保、低成本、高性能的品質現己經成為建筑行業的新寵材料。GFRT建筑模板、下水槽的GFRT蓋板、CFRT建筑柱加固等廣泛應用。最近，某公司采用連續玻璃纖維編織布GFRT模壓制造彩色井蓋，并獲得普遍歡使用。
連續纖維增強技術在汽車FRT應用需求巨大，特別是CFRT更加廣泛應用。從一些公司等分別或聯合推出FRT(GFRT和CFRT)汽車零部件、產品在線檢測工具，并且形成一個完整的從技術研發、自動化生產與裝備、在線測試、產品設計等系列配套的完整產業鏈。圖８．（a）與（b）為大型運輸汽車結構框架中可以用熱塑性復合材料(CFT)替代的部件；（c）為玻纖增強熱塑性復合材料(GFRT）作為汽車部件；（d）為碳纖維增強熱塑性材料（CFRT）汽車結構框架。圖９．圖中（a）指示大型運輸汽車的電池箱外門位置；（b）演示熱塑性復合材料（GFRT）電池箱門代替鋼制門安裝更換功能
可見，FRT(GFRT和CFRT)己經成為國際上熱門的前沿技術發展方向。未來發展趨勢將呈現如下特點：1)多專業、跨行業、上下游全產業鏈一體化的聯合開發己經成為一種有效的、快速的、互惠共利的協同發展模式；2)新技術、新工藝、新設備趨向更加成熟與廣泛應用；3)FRT材料數據庫建立、產品結構設計與計算機仿真CAE技術的廣泛應用；4)輕質、高強、環保、低成本的連續碳纖維熱塑性復合材料(CFRT)在新能源電動汽車上將優先獲得應用。
FRT雖然具有上述種種突出優勢，但是在生產和應用中仍存在許多問題：(1)纖維編織物(絲、帶、氈)中的纖維各向異性分布與有效控制差，將導致制品不同位置的力學性能不一致；(2)低粘度、高流動的熱塑性樹脂基體(Resin)開發與改性技術缺少，品種單一,價格偏高；(3)樹脂基體(Resin)與纖維(GF,CF)的界面粘合強度仍需要進一步提高，以及加強界面(相)結構設計與控制技術；(4)FRT制件與金屬材料(構件)的各種連結技術與綜合疲勞性能評價缺少；(5)低成本、低能耗、高效率、自動化的FRT生產裝備技術開發與工程應用缺少；(6)沒有建立FRT與制件(如汽車零部件)的行業(國家)測試標準與評價標準。
文章來源：汽車材料網/復材先生
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原標題：《【復材資訊】熱塑性復合材料的加工技術現狀、應用及發展趨勢》
