制備熱塑性碳纖維復合材料,成本真的會(huì )增加嗎?
熱塑性碳纖維是一種由碳纖維與熱塑性樹(shù)脂融合而成的復合材料,對比當下主流的熱固性碳纖維,在綜合性能和重塑加工方面有著(zhù)較好的表現。不過(guò)熱塑性碳纖維的制備難度較高,即便是像東麗、帝人、赫式這些知名碳纖維大廠(chǎng),在著(zhù)手開(kāi)展熱塑性碳纖維項目上也是非常謹慎的。國內其實(shí)并不乏碳纖維相關(guān)的大企業(yè),但真正能夠制備出外觀(guān)均勻、性能穩定的熱塑性碳纖維復合材料的廠(chǎng)家并不算多。制備熱塑性碳纖維復合材料是一項需要長(cháng)期持續進(jìn)行的工作,不僅擁有較高的技術(shù)門(mén)檻,同時(shí)也需要投入較大的成本,那這些成本主要出現在哪些方面呢?
熱固性和熱塑性碳纖維的基本性能差異在哪里?
在了解成本增加的問(wèn)題之前,我們可以先對熱固性碳纖維和熱塑性碳纖維有一個(gè)基本的了解,看看兩者的差異主要體現在哪些方面。熱固性碳纖維是當下較為主流的一種,是碳纖維和熱固性樹(shù)脂融合的產(chǎn)物,樹(shù)脂基體有環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等,而熱塑性樹(shù)脂基體有聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亞胺等。雖然都是樹(shù)脂,但在與碳纖維融合時(shí)的難度卻相差甚遠,融合后形成的復合材料的性能同樣也有較大得差異。
1、強度和剛度:通常來(lái)說(shuō),由于熱固性樹(shù)脂的浸潤難度較低,與碳纖維結合的更緊密,熱固性碳纖維在強度和剛度上的綜合表現更好一些,適合應用在承載力需求較高和應力下變形較小的零部件上,是一種針對靜態(tài)或準靜態(tài)負載較好的復合材料。熱塑性碳纖維目前的浸潤難度較高,因此呈現出的總體性能卻不如熱固性碳纖維,不過(guò)也有例外,如聚醚醚酮樹(shù)脂與碳纖維完成浸潤,其復合材料的整體機械性能上限更高。
2、抗沖擊性:熱固性碳纖維成型后的脆性較高,在高沖擊載荷下容易破裂或破碎,破損的熱固性碳纖維是無(wú)法徹底修復的。熱塑性樹(shù)脂與碳纖維融合后表現出更出色的韌性,可應用在動(dòng)態(tài)環(huán)境或沖擊載荷較高的零部件上,具有較高的抗沖擊性,加上熱塑性樹(shù)脂的加熱重塑能力,可一定程度的進(jìn)行修復。
3、耐溫性:熱固性碳纖維的耐高溫性普遍較低,因為熱固性樹(shù)脂的熔點(diǎn)相對較低,而熱塑性樹(shù)脂中,聚醚醚酮、聚苯硫醚等熔點(diǎn)較高,整體的耐溫性更好一些。
4. 耐久性和耐環(huán)境性:熱固性碳纖維對潮濕、化學(xué)品和紫外線(xiàn)等環(huán)境因素具有一定的耐受性,但在循環(huán)負載下容易出現裂紋,而熱塑性碳纖維在循環(huán)載荷下具有更好的抗疲勞和抗裂性能,對潮濕和化學(xué)品的耐受能力受樹(shù)脂類(lèi)型影響,其中聚醚醚酮等特種塑料的耐化學(xué)性較好。
相較熱固性碳纖維,制備熱塑性碳纖維的難度高在哪里?
都說(shuō)熱塑性碳纖維的制備難度更高,但對于其中的根本原因卻知之甚少。其實(shí)這是由于熱塑性樹(shù)脂的固有特性和所涉及的制造工藝共同造成的,可以從下面的幾個(gè)方面來(lái)里了解一下。
1、加工溫度高:熱固性樹(shù)脂的熔點(diǎn)低,固化溫度通常在150~200℃之間就可以完成,而熱塑性樹(shù)脂的熔點(diǎn)普遍較高,像聚醚醚酮的熔點(diǎn)可以達到400℃。在熔融階段就會(huì )面臨極高的加工困擾,對設備、工具和模具都有更高的要求,同時(shí)對技術(shù)人員的能力和經(jīng)驗也有更高的要求。
2、樹(shù)脂粘度高:熱塑性樹(shù)脂進(jìn)入熔融狀態(tài)后,通常都會(huì )表現出極高的粘性,這種高粘性在浸漬階段會(huì )嚴重影響浸潤的效果,導致碳纖維與樹(shù)脂之間的交聯(lián)反應不充分,無(wú)法形成穩定的物理結構,遲滯熱塑性碳纖維復合材料的制備,也會(huì )大幅拉低其性能。
3、處理窗口期較短:熱塑性樹(shù)脂在冷卻階段會(huì )表現出較快的凝固效果,這會(huì )限制復合材料的制備和后續的固化成型,對于整體生產(chǎn)來(lái)說(shuō),縮短了處理的窗口期,提高了制備的精度和難度。想要充分把握機會(huì ),需要對生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化,或使用更高速更快捷的制備工藝。
4、專(zhuān)用設備要求高:無(wú)論是前期的樹(shù)脂熔融,還是后續的固化成型,都需要有更好的設備來(lái)輔助完成,還需要搭建符合條件的生產(chǎn)車(chē)間和環(huán)境,對于體量較小的企業(yè)來(lái)說(shuō),很難實(shí)現。
相較熱固性碳纖維,制備熱塑性碳纖維的成本高在哪里?
熱固性碳纖維復合材料的制備在國內已經(jīng)并不算技術(shù)含量特別高的項目了,這幾年國產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)能提速迅猛,碳纖維復合材料制備和碳纖維制品生產(chǎn)技術(shù)的提升也隨之日益精進(jìn)??梢哉f(shuō)熱固性碳纖維方面,國內很多企業(yè)和機構已經(jīng)具有極強的實(shí)力,即便與國際碳纖維大廠(chǎng)相比也有一戰之力。不過(guò)熱塑性碳纖維方面,全球范圍內的進(jìn)步都較為緩慢,不僅是高門(mén)檻的限制,同樣也是投入成本相對較少的緣故。
1、熱塑性樹(shù)脂成本高:熱塑性樹(shù)脂如聚醚醚酮、聚苯硫醚,具有出色的高耐熱性、化學(xué)穩定性和韌性,但這些樹(shù)脂本身的提煉和制作難度就比較高,通常需要特定的配方才能加工出性能較好的品類(lèi),因此成本自然會(huì )比熱固性樹(shù)脂高出不少。
2、加工溫度高:熱塑性樹(shù)脂的熔點(diǎn)較高,需要提高加熱溫度實(shí)現熔融,無(wú)疑會(huì )加大能源的損耗,另外還需要有專(zhuān)業(yè)的加熱設備和耐高溫性更好的模具來(lái)進(jìn)行制備,額外定制模具和設備都需要增加成本。
3、纖維浸漬技術(shù)難掌握:熱塑性樹(shù)脂熔融狀態(tài)下的高粘性,影響了對碳纖維的浸潤,想要解決這個(gè)問(wèn)題,需要升級浸漬技術(shù)和優(yōu)化浸潤操作,諸如熱熔預浸、原位聚合和粉末浸漬等方式。制備期間需要大量的實(shí)驗和調整,才能讓浸潤效果有所提升,這些所有的嘗試都會(huì )堆高成本。
4、固化和冷卻要求高:熱塑性碳纖維復合材料在固化階段,適當的固結可以消除內部空隙,提高纖維-樹(shù)脂的粘合效果,想要達成這一結果,需要配備高壓系統,如液壓機或高壓釜。另外熱塑性碳纖維復合材料在冷卻階段,為了避免翹曲和殘余應力過(guò)于集中的問(wèn)題,還需要配備對應的控制設備,這些都會(huì )進(jìn)一步的堆高成本。
5、專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員:雖然制備熱塑性碳纖維時(shí),絕大部分步驟都是由設備來(lái)完成,但卻少不了技術(shù)人員的調控。技術(shù)人員不僅需要掌握完備的專(zhuān)業(yè)知識,而且還要熟練完成對各類(lèi)設備的操作。因為碳纖維行業(yè)的特殊性,全自動(dòng)化的生產(chǎn)方式目前根本無(wú)法實(shí)現,因此培養一名技術(shù)過(guò)硬的技術(shù)人員比購買(mǎi)一臺高規格設備的成本更高。
智上新材料認為,熱塑性碳纖維復合材料的制備雖然困難重重,但卻不能放棄與之相關(guān)的研究和實(shí)踐,技術(shù)只有掌握在自己手里,才能不受制于人。鑒于當下復雜的國際環(huán)境,而碳纖維及復合材料又是極為重要的戰略資源,前期的大量投入并不是浪費資源,量變引起質(zhì)變,熱塑性碳纖維相關(guān)的研究在海量的成本堆疊下一定會(huì )得到豐厚的回報。
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