熱塑性復(fù)合材料，作為一類具有革命性的現(xiàn)代材料，根據(jù)增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)度和分布，主要分為三類：短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（SFT）、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFT）。SFT由于其短纖維結(jié)構(gòu)，在簡(jiǎn)單成型工藝中表現(xiàn)出色，而長(zhǎng)纖維版本則提供了更優(yōu)異的力學(xué)性能。CFT憑借其連續(xù)纖維特性，在承受高負(fù)載的應(yīng)用中表現(xiàn)出卓越的性能。這些分類不僅反映了熱塑性復(fù)合材料的多樣性，也體現(xiàn)了其在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的廣泛適用性，熱塑性復(fù)合材料的類型主要分為三類：

1. 短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（SFT）：這種類型的材料由于纖維長(zhǎng)度較短，其增強(qiáng)效果有限，但成型工藝簡(jiǎn)單，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品。

2. 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料：相較于SFT，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維保留長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此在力學(xué)性能上優(yōu)于短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，適用于要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

3. 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFT）：這類材料中的增強(qiáng)纖維是連續(xù)的，纖維保留長(zhǎng)度與制品尺寸一致，因此力學(xué)性能得到進(jìn)一步提升。具有良好的可設(shè)計(jì)性，適用于承力結(jié)構(gòu)部件。

熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)包括：較低的密度、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的耐環(huán)境性能、和高的損傷容限。這些材料在加工和修復(fù)時(shí)表現(xiàn)出極佳的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)效益，特別是它們的回收和重塑能力，使其在環(huán)境可持續(xù)性方面尤為突出。此外，它們?cè)诔尚秃图庸み^程中的快速反應(yīng)性，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率，使其在航空航天、汽車制造等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

1.密度小、比剛度和比強(qiáng)度大

通常結(jié)構(gòu)件的重量與所用材料的比強(qiáng)度或比剛度成反比，因此，比強(qiáng)度、比剛度就成為材料選擇的主要參數(shù)；吳云書教授在論文“材料的比強(qiáng)度和比剛度”中對(duì)上述概念進(jìn)行深入的分析。

2.韌性優(yōu)于熱固性塑料，復(fù)合材料具有良好的抗沖擊性能

熱固性樹脂基復(fù)合材料在成型過程中，樹脂基體交聯(lián)固化為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此，熱固性復(fù)合材料的剛度較高、脆性較大、抗沖擊和抗損傷的能力較差。熱塑性復(fù)合材料是以線形高分子聚合物為基體材料，韌性良好的線形高分子聚合物賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的抗沖擊性能和抗損傷性能。

3.復(fù)合材料的物理性能良好，適合于復(fù)合材料的多種應(yīng)用

該優(yōu)勢(shì)源于熱塑性復(fù)合材料具有良好的耐熱性和吸水率。

耐熱性能：一般熱塑性塑料的長(zhǎng)期使用溫度為50-100℃，纖維增強(qiáng)工程塑料的長(zhǎng)期使用溫度為120-150℃，而高性能熱塑復(fù)合材料的長(zhǎng)期使用溫度可以達(dá)到250℃以上，耐熱性能優(yōu)異。

吸水率：熱塑性復(fù)合材料的吸水率一般優(yōu)于熱固性復(fù)合材料，玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的吸水率為0.01%-0.05%，而玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯的吸水率為0.05%-0.5%，即使玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的吸水率為0.04%-0.2%，吸水率低于熱塑性復(fù)合材料。

4.加工過程不發(fā)生化學(xué)變化，成型周期短

熱固性復(fù)合材料的加工過程是樹脂基體在固化劑的作用下，由線形的分子結(jié)構(gòu)聚合物為體形分子結(jié)構(gòu)的過程，這需要較長(zhǎng)的時(shí)間。如惠柏新材的ML-8190A/B超高耐溫低粘度環(huán)氧樹脂的固化條件如下：

熱塑性復(fù)合材料的加工過程為加熱熔融變形和冷卻定型，是物理變化過程；由于上述過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，成型周期非常短。例如：常見的模壓成型周期為幾十秒至幾分鐘，成型速度非常快。

由于纖維增強(qiáng)形式存在著一定的特殊性，因此并不是所有的成型工藝都適合連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。目前，能夠適合在連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制備上應(yīng)用的成型工藝有以下數(shù)種，最常見的包括模壓成型、樹脂注射成型、纏繞成型以及拉擠成型。其中模壓成型是最常見的，纏繞成型及拉擠成型是新興的。熱塑性復(fù)合材料的成型工藝主要包括模壓成型、層壓成型和拉擠成型。

1. 模壓成型：這一過程首先預(yù)熱坯料或在模具中直接加熱，然后施加壓力使其成型。這種方法適用于多種纖維增強(qiáng)形式，特點(diǎn)是成型周期短，高效快速。此工藝適用于制造復(fù)雜形狀的部件，但可能限制材料的力學(xué)性能。

2. 層壓成型：該方法主要是將預(yù)浸料片材或編織物按力學(xué)設(shè)計(jì)要求鋪放，然后預(yù)熱并成型。盡管層間剪切強(qiáng)度較低，但通過各種改進(jìn)，例如纖維表面改性和基體改性，可以提高性能?？芍圃旄吡W(xué)性能的產(chǎn)品，適合于結(jié)構(gòu)應(yīng)用，如航空部件。但層間剪切強(qiáng)度較低，可能影響產(chǎn)品的整體性能。

3.拉擠成型：這是一種連續(xù)自動(dòng)化的生產(chǎn)方式，能制造截面一致、形狀多樣的型材，特點(diǎn)是高效率和良好的軸向性能。通過改進(jìn)工藝，例如使用預(yù)浸帶和優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。適合連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，制品的軸向性能突出。通過織物的補(bǔ)強(qiáng)，可以提高橫向性能，但對(duì)模具設(shè)計(jì)和工藝控制要求高。

國(guó)內(nèi)外對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制備工藝及其機(jī)械性能、熱力學(xué)性能的研究較多，常用注塑工藝成型制備玻璃纖維增強(qiáng)聚丙帰復(fù)合材料，對(duì)用混纖紗法浸潰熱壓工藝的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究不多，尤其是不同結(jié)構(gòu)形式的連續(xù)玻纖增強(qiáng)聚丙帰復(fù)合材料的力學(xué)性能差異及破壞機(jī)理差異的研究較少。

1. 航空航天：熱塑性復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在減輕飛行器重量和提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上。例如，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)和A380商用飛機(jī)的某些部件就采用了這種材料，以優(yōu)化性能和耐久性。

灣流G650尾舵由Fokker航空公司制造，筋骨與梁均采用TenCate公司碳纖維/PPS熱塑性復(fù)合材料壓板（RTL）熱壓成型，連接鉸鏈采用鈦合金3D打印制造。面板與肋、梁采用KVE公司的感應(yīng)焊接技術(shù)焊接為整體結(jié)構(gòu)，焊接過程能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，，一次性將3組肋與3組梁焊接到蒙皮。

圖1 灣流G650

2015年美國(guó)宇航局發(fā)射的全球土壤水分測(cè)量航天器（SMAP），如圖所示，大量使用了熱塑性復(fù)合材料。該航天器的可展開網(wǎng)狀反射器由諾斯羅普·格魯曼公司AstroAerospace采用TenCate熱塑性復(fù)合材料制造而成。該反射器為拋物面形狀設(shè)計(jì)，φ6m，包括一個(gè)圓形碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）桁架，表面附上金屬加強(qiáng)網(wǎng)，反射體由具有高剛度和強(qiáng)度的芳綸強(qiáng)化PEI拉擠成型制成，通過超聲波點(diǎn)焊焊接在其交叉點(diǎn)加強(qiáng)網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)了輕量化、高強(qiáng)度、耐疲勞的特性。

圖2 SAMP航天器與網(wǎng)狀反射器

2. 汽車行業(yè)：這些材料用于制造汽車的防撞梁、門板等關(guān)鍵部件，以提高安全性和燃油效率。它們的輕質(zhì)特性對(duì)于減少汽車的整體重量，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性尤為重要。

汽車行業(yè)，是熱塑性復(fù)合材料大規(guī)模使用的重要領(lǐng)域，目前LFT已在汽車防撞梁、前端模塊、儀表盤骨架、車門中間承載板、電瓶箱、座椅骨架板、備胎倉(cāng)以及車底部護(hù)板等結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用。

圖3  奔馳公司擬進(jìn)行熱塑替代的汽車組件

3.建筑和橋梁：在建筑行業(yè)，特別是橋梁建設(shè)中，熱塑性復(fù)合材料因其耐腐蝕性和高強(qiáng)度而成為鋼材的有效替代品，有助于延長(zhǎng)橋梁的使用壽命并降低維護(hù)成本。

圖 4 美國(guó)美國(guó)俄亥俄州熱塑材料橋

當(dāng)前熱塑性復(fù)合材料市場(chǎng)的趨勢(shì)和潛在市場(chǎng)表現(xiàn)出顯著的增長(zhǎng)和多樣化。到2028年，全球熱塑性復(fù)合材料市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到330億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為5.1%。這一增長(zhǎng)主要受到對(duì)輕量化和環(huán)境可持續(xù)材料需求增長(zhǎng)的推動(dòng)，以及在不同終端行業(yè)中替代金屬的趨勢(shì)。特別是在交通、消費(fèi)品、工業(yè)和建筑市場(chǎng)中，熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用日益增多。

亞太地區(qū)，特別是中國(guó)，由于其龐大的建筑市場(chǎng)和高速的城市化進(jìn)程，成為推動(dòng)熱塑性復(fù)合材料市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要力量。中國(guó)預(yù)計(jì)到2025年將大規(guī)模擴(kuò)建城市空間，其建筑行業(yè)的增長(zhǎng)預(yù)計(jì)將對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）貢獻(xiàn)約6%。

在航空領(lǐng)域，空中客車公司預(yù)測(cè)，未來20年中國(guó)的航空流量將以5.3%的年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，這遠(yuǎn)高于全球3.6%的平均水平。這預(yù)示著對(duì)新飛機(jī)的強(qiáng)烈需求，進(jìn)而推動(dòng)熱塑性復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

此外，隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)，熱塑性復(fù)合材料在汽車行業(yè)中的應(yīng)用也將增加。電動(dòng)汽車需求的增長(zhǎng)將加速電動(dòng)車部件的生產(chǎn)，并對(duì)熱塑性復(fù)合材料的需求產(chǎn)生積極影響。

技術(shù)方面，熱塑性復(fù)合材料市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)包括增加的材料間競(jìng)爭(zhēng)和對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的關(guān)注增加。這些趨勢(shì)對(duì)行業(yè)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生直接影響，開啟新的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。

熱塑性復(fù)合材料目前在技術(shù)狀態(tài)上呈現(xiàn)出顯著的成熟與創(chuàng)新。這些材料因其獨(dú)特的性質(zhì)，如重量輕、強(qiáng)度高、可回收性和加工靈活性，已在多個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前的趨勢(shì)顯示，熱塑性復(fù)合材料正在朝著性能更優(yōu)、成本更低和更環(huán)保的方向發(fā)展。特別是在航空航天、汽車制造、建筑和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，這些材料正扮演著越來越重要的角色。

未來，熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展預(yù)計(jì)將繼續(xù)受到電動(dòng)汽車需求增長(zhǎng)、建筑行業(yè)的現(xiàn)代化和航空業(yè)的擴(kuò)張等因素的推動(dòng)。亞太地區(qū)，尤其是中國(guó)，預(yù)計(jì)將成為推動(dòng)這一市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要力量，這歸功于其龐大的建筑市場(chǎng)和快速的城市化進(jìn)程。隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)需求的增加，我們可以預(yù)見，這些材料將在減輕結(jié)構(gòu)重量、提高效能和支持可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮更大作用。

綜上所述，熱塑性復(fù)合材料不僅是當(dāng)前材料科學(xué)的一個(gè)重要分支，而且是未來工業(yè)和技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。它們將繼續(xù)引領(lǐng)材料創(chuàng)新，推動(dòng)各行業(yè)向更高效、更可持續(xù)的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

1. 馬從.連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的研究[D].天津工業(yè)大學(xué),2015.

2. GlobeNewswire [oai_citation:1,Thermoplastic Composite Global Market Report 2023]

3. Mordor Intelligence [oai_citation:2,Thermoplastic Composites Market - Size, Share & Trends]

4. [oai_citation:1,A Tale of Two Bridges | Composites Manufacturing Magazine]

5. [oai_citation:2,Thermoplastic Composites Market - Size, Share & Trends]

6. [oai_citation:1,Thermoplastic Composite Global Market Report 2023]