李三平 杨正
无锡智上新材料科技有限公司 邮政编码：214028
连续碳纤维增强热塑性复合材料在强度、耐磨、耐冲击等性能方面明显优于短切或粉末碳纤维增强热塑性复合材料，但是采用连续碳纤维增强的方式对相关制造设备和制作工艺有着近乎苛刻的技术要求。因为高端工程塑料在熔融温度下黏度很大，在这种情况下很难对碳纤维进行充分的浸渍，这就导致了批量化生产无法保持稳定的产品性能，这使得连续碳纤维高性能热塑复合材料在国内的应用长时间处于停滞状态。为了攻克了这一业界公认的难题，无锡智上新材料科技有限公司（以下简称“智上新材”）联合机械设备制造商和热塑性树脂材料供应商共同参与设计和开发，成功推出适用于PPS、PI、PA6、PES、PEEK等不同热塑性树脂使用的连续碳纤维增强预浸带生产设备，成功优化了编织碳纤维增强PPS、PEEK等复合材料板的制造工艺，顺利打破了国际技术壁垒和价格垄断机制，为国内众多行业的材料升级提供了新的方案。
一、连续碳纤维增强热塑性复合材料单向预浸带的制备技术：
世界范围内的连续碳纤维增强热塑性预浸料制备技术和生产资源分布极不均衡，主要掌握在TenCate、Cytec、Ticon、Greene Tweeed、Bond等国际制造商手中。国内的连续纤维增强热塑性预浸料产品目前仍以玻璃纤维增强为主，以连续碳纤维为增强体的预浸料生产不仅缺乏专业制造设备，整体技术与国际先进水平之间还存在着巨大的差距。
CFRTP的制备有熔融法、溶剂法、混纤法、粉末法、薄膜叠层法等不同的工艺方法，无锡智上新材选择的熔融浸渍工艺包括引丝、展丝、预热、浸渍、冷却、收卷等多道工序。虽然英国的ICI早在1982年就开始尝试采用该工艺制作连续碳纤维增强PEEK预浸料，但是国外此类技术一直对我国进行严格保密。国内的北京航空材料研究院、哈尔滨玻璃钢研究院等机构也针对该工艺进行了长期的研究，但是受制于连续碳纤维与热塑性树脂之间难以熔融的问题，国内的连续碳纤维热塑性预浸带批量化应用尚未实现。
针对该技术瓶颈，无锡智上新材料首先对展丝设备进行优化，加大了碳纤维丝束的分散性和张力；其自主设计的螺杆挤出设备在输送熔融的高端热塑性树脂时，能够提供充分的浸渍动力，通过提高设备的熔融温度，加大了热塑性树脂的流动性；通过延长浸润时间和加大浸渍压力等等技术途径增强热塑性树脂熔体对碳纤维的全面包覆性和浸渍率，有效解决了碳纤维含量低、分布不均匀、浸渍效果差等一系列技术难题，有效保证了预浸带的质量稳定性。
目前，无锡智上新材已实现了宽幅30cm-60cm的连续碳纤维增强PPS、PA6等系列单向预浸带的量产化，预浸带表面光滑，树脂浸润度高，富有光泽，连续性碳纤维排布均匀，很好地保留了纤维的完整性，碳纤维的含量比可以达到50%-60%。
连续碳纤维增强热塑性复合材料单向预浸带的质量直接决定了零部件成品的性能表现，预浸带中碳纤维丝束的均匀分布和树脂比例的合理分配都是重要的影响因素，连续碳纤维与基体树脂的界面粘结性越大，树脂对碳纤维的浸润效果越好，零部件制品的力学性能就越强。智上新材采用该预浸带制作零部件产品，实验证明其不仅具备高端工程塑料的耐高温、耐磨和高抗冲击性，还继承了碳纤维低密度、高强度、耐腐蚀、蠕变小的优良特性。初期，该项目年产能可达到300吨左右，随着产能的不断扩大，能够逐步缓解国内市场对连续碳纤维增强热塑性复合材料的需求压力。
二、编织碳纤维增强热塑性复合材料板的技术优化：
PPS、PEEK等中高端热塑性树脂材料在耐高温、耐磨、自润滑、耐化学腐蚀及尺寸稳定等方面具有性能优势，但其脆性大、耐冲击强度低，以编织碳纤维作为增强体，能有效改善其力学性能和韧性。为了更好地满足高端领域对先进复合材料的应用需求，无锡智上新材通过自主开发的技术，有效提升了编织碳纤维与热塑性树脂之间的浸润效果，使编织碳纤维增强PPS、PEEK等热塑性复合材料板的性能充分满足更多高端工业制造的应用需求。
无锡智上新材采用粉末浸渍法制备编织碳纤维增强PPS、PEEK等复合材料，然后通过模压成型制备出连续碳纤维增强热塑性复合板材。在此过程中，除了选用的碳纤维及热塑性树脂材料的型号和质量外，铺层层数、热压温度、热压时间、树脂含量这些工艺参数也会对复合板材的力学性能产生显著影响。智上新材主要从以下几个方面进行优化：
（1）铺层：采用模压方式制备编织碳纤维增强热塑性板材时，确保在模具厚度范围内进行有效铺层。在模具特定的厚度中，铺层数越多板材孔隙率会越小，但是铺层数量超过合理数值后又会产生多余压力导致树脂流失，使碳纤维无法被完全浸润，从而影响到层压板的整体力学性能。
（2）热压：热压温度升高会导致树脂粘度降低，使得树脂更容易浸润碳纤维。但是当温度达到一定阈值后，热塑性树脂就会发生交联，适当的交联能够改善板材的力学性能，过度交联则会使板材变脆，从而降低板材的拉伸强度。相反，粘度过大又会阻碍其对碳纤维的充分浸润。
（3）树脂含量：在编织碳纤维增强热塑性复合材料板的制作中，树脂含量必须保持在一个合适的区间内，足够多的树脂才能充分浸润碳纤维，使层与层之间紧密结合。相反，一旦树脂含量过多又会阻碍载荷的传递，降低层压板的力学性能。
为此，无锡智上新材对以上几个工艺参数进行了精确的计算和大量的实验分析，在实际生产基础上，总结出最合适的制作方案。
相关的断裂和拉伸实验证明，无锡智上新材的优化工艺对编织碳纤维增强热塑性板材的性能有显著影响。断裂实验并没有使碳纤维从树脂基体中剥离并产生缝隙，发现树脂是完全、均匀地将碳纤维包覆，基本没有裸露的碳纤维，这说明基体和增强体之间具有良好的界面粘结。拉伸试验后，在板材断面处观察到大部分碳纤维表面粘附着树脂，但没有出现富集现象，层与层之间结合紧密，无明显分层，这表明树脂对碳纤维浸润较好，这样的界面可以有效地传递载荷。
总之，随着原材料制备能力和工艺水平的不断提升，国内的连续碳纤维增强热塑性复合材料的应用也将正式拉开“帷幕”。除了航天航空领域外，军工制造、高端医疗、轨道交通、智能机械等更多专业领域也都会向这种高性能先进复合材料敞开大门，通过材料的“提质升级”获得更多的发展机遇。