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揭秘连续碳纤维增强热塑性复合材料卓越耐磨性背后的科学与应用

发表时间:2024-03-30 16:09:17  作者:碳纤维作者 阅读数:55

  热塑性复合材料的世界中,纤维增强树脂基复合材料(FRPC)凭借其轻质、高强度、高模量、优异耐蚀性及热稳定性等多重优势,已经在航空航天、国防军工、轨道交通乃至风力发电等高新技术领域展现出了举足轻重的地位。在这其中,纤维增强热塑性复合材料(FRTP)因其独特的力学性能(如高韧性和抗冲击性)、高效的生产周期(可焊接)、适应高温环境(采用PEEK、PPS等特种工程塑料为树脂基体)以及优良的设计自由度(能制成复杂精细形状的制品),而逐渐崭露头角。尤其引人注目的是,当我们将目光投向碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)时,连续碳纤维(CF)因其卓越的性能特质,使CRTP在诸多应用中显现出了非凡潜力。

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  连续CF增强热塑性复合材料较之短CF增强热塑性复合材料(SCRTP)和长CF增强热塑性复合材料(LCRTP),其力学性能尤为出众,因此在众多领域备受瞩目。然而,预浸料作为连续CF增强热塑性复合材料(CFRTP)的制造基石,其核心技术——纤维与树脂间的充分浸渍仍然是有待解决的关键问题。目前,小丝束预浸料虽在性能上相对稳定,但成本较高,且在制备高性能预浸料时效率偏低,因此,研发低成本大丝束预浸料的高效制备工艺,势在必行。国内也有不少企业对于该材料进行研发,取得了不错的进展,比如智上新材料科技就成功的研发了连续碳纤维和高性能PEEK、PPS浸渍的单向带,打破国外对我们的技术壁垒,在研究中发现碳纤维的含量、长度、排列方式及成型技术等因素,均对复合材料的摩擦学性能产生重要影响。

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  耐摩擦性能是碳纤维增强热塑性复合材料的一大亮点。在摩擦过程中,应力通过树脂基体传递至碳纤维,碳纤维凭借其天然的高比强度、比模量、耐热耐蚀性及抗摩擦性,有效承载负荷,极大地提升了复合材料的整体力学表现。

  值得注意的是,连续碳纤维在复合材料中的排列有序性和长度,直接决定了其摩擦性能的优势。与短碳纤维或粉末碳纤维增强的热塑性复合材料相比,连续碳纤维增强复合材料在摩擦系数和磨损率上表现出明显优势。连续碳纤维在树脂基体中形成的定向排列和连续结构,能有效提高热导率,增强纤维间的连接点,形成稳固的框架结构,防止碳纤维剥离,从而显著降低材料表面的蠕变现象,提升复合材料的耐磨性。

  然而,制备连续碳纤维增强热塑性复合材料并非易事,热塑性树脂较高的熔融黏度、碳纤维表面的化学惰性以及两者界面相互作用的不足,都构成了挑战。尤其是在高温下,碳纤维容易在树脂中团聚,影响复合材料的整体性能。此外,碳纤维含量的把控尤为关键:适度的碳纤维含量可以大幅提升热塑性树脂复合材料的强度和刚性,但过高的含量则可能导致树脂无法充分浸渍碳纤维,造成界面结合不牢固,引发气泡、孔洞等问题。

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  面对现代智能设备、高端医疗和新能源产业对高性能材料日益增长的需求,热塑性树脂材料在耐热耐光性、尺寸稳定性等方面的局限性逐渐显现。最新的研究成果纷纷证实,连续碳纤维的引入对热塑性树脂的力学性能产生了显著的促进作用。某项研究显示,在复合材料结晶过程中,质量分数达30%的连续碳纤维起到了异相成核的作用,为树脂提供了丰富的晶核来源。当连续碳纤维与热塑性树脂交融一体时,复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量相较于纯树脂分别提高了2-3倍,足见碳纤维的添加对树脂力学性能的大力提振。

  除力学性能的显著提升外,在高温、湿度、磨耗等严苛环境条件下,连续碳纤维增强热塑性复合材料依然保持着出色的增强效果和物理性能。连续碳纤维丝束如同盔甲般保护着复合材料,既有效降低了热膨胀系数,又极大提升了耐磨性和韧性。因此,连续碳纤维增强热塑性复合材料的崛起与发展,开辟了一个崭新的天地,创造了无限的市场机遇与应用潜力。

  这也是智上新材料科技克服重重困难,积极研发该材料的目的,在不断的优化连续碳纤维与树脂基体的界面结合,充分发挥连续碳纤维在复合材料中的独特优势,从而为热塑性复合材料的耐磨性提升注入了强大动能,现如今已经量产连续碳纤热塑性复材单向带,并且跟多家企业形成合作,为相关行业带来了前所未有的高性能材料解决方案。


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