杨超凡·对《热塑性碳纤维复合材料在国内为何发展缓慢》 一点不同看法
从上世纪末开始，碳纤维成为先进复合材料应用的关键词之一，随着国内碳纤维原材料生产技术逐步冲破国际技术封锁，先后实现了T300、T700等型号的碳纤维原丝批量生产能力，随之得到快速发展的是热固性碳纤维复合材料的应用，特别是以环氧树脂基为主的碳纤维复合材料。相对而言，热塑性碳纤维复合材料的应用则非常有限。碳纤维增强热塑性复合材料在国内的发展为什么会比较迟缓呢？笔者认为有以下几个方面的原因。首先，需求市场对热塑性碳纤维复合材料的认识不够全面，热塑性碳纤维复合材料的优势没有得到充分重视，从而影响到市场需求量的正常增长。一般认为，热塑性聚合物在使用温度、力学性能、耐蠕变和老化性能等方面不及热固性聚合物。耐高温、高强度PEAK、PEEK、PEKK使用温度比热固树脂高。事实上，热固性碳纤维复合材料也并非没有缺点，其存在着成型周期长、冲击韧性差、预浸料存放时间短、不能重复使用、局部损伤难于修复等一系列弱点。与热固性树脂基碳纤维复合材料相比，热塑性碳纤维复合材料反而具有高韧性、高抗冲击和损伤容限、无限预浸料存储期、成型周期短、生产效率高、易修复等显著优势。热塑性碳纤维复合材料的利用价值没有得到充分认识和开发，直接影响到了市场需求量的产生，极为有限的需求量都存在于航天航空等高端小范围之内，从供需源头上阻碍了热塑性碳纤维复合材料的进一步发展和应用。其次，热塑性碳纤维复合材料制造技术技术要求高，在一定程度上限制了一些技术水平和生产能力不够的企业进入。大多数热塑性树脂在熔融温度下黏度较高，无法很好地浸渍纤维织物，因此，热塑性树脂基碳纤维复合材料预浸料的制备本身就存在很大的难度，不能解决热塑性树脂高黏度下的浸润问题，遑论其它。较为常用的热塑性复合材料预浸工艺是熔融法，其基本工序包括纤维引丝、展丝、预热、浸渍、冷却、收卷等。采用熔融法制备热塑性碳纤维复合材料预浸料时也必须解决树脂黏度大、浸渍时间短所造成的中空干斑、纤维需要得到良好且无损分散等问题。再者，原材料成本高，导致下游应用需求遭到扼制。碳纤维原丝价格不菲，高端的热塑性树脂价格也是普通的环氧树脂的数十倍，再加上制作技术要求高，种种因素的叠加，导致了热塑性碳纤维复合材料，特别是使用PEEK、PI这些高端的热塑性树脂为基体的碳纤维复合材料制品价格令人望而生畏。另一方面，国内使用的碳纤维增强热塑性复合材料主要还是依靠进口，国外的高性能热塑性复合材料预浸料供应则被TenCate、Cytec、Ticona 等公司所垄断，这些公司具有供应各个系列的玻璃纤维/碳纤维增强PEI、PPS和PEEK热塑性预浸料的能力，被垄断后的预浸料价格自然是居高不下。 Toray、Hexcel也增加了热塑复材研发、生产。最后，国内有关热塑性碳纤维复合材料方面的科研成果转化之路并不顺利，国内对热塑性复合材料预浸料的制备和研究有一定的基础，但与发达国家相比，仍存在很大的差距，加上后续工作的连续性不强，导致目前我国仍缺乏材料制备和结构成型相关的关键技术及设备。北京航空航天大学、北京化工大学、浙江大学、华东理工大学、东华大学、中科院宁波材料所、哈尔滨玻璃钢研究所、北京航空材料研究所等都或多或少地涉入此方面研究。但是，技术比较成熟的还是以玻璃纤维增强工程热塑性树脂预浸料产品为主，少数的碳纤维增强热塑性预浸料产品仍存在纤维含量低、纤维分布不均匀、浸渍质量偏低、品种单一等问题，从科研成果向规模化生产转化还有相当大的距离。例如，北京航空材料研究院早在“九五”末就曾为某型号飞机研发出热塑性碳纤维垂尾平板舱门，但是并没有实现批量生产。不过，随着航空制造、汽车、电子电器、高端医疗设备、智能化机械等行业的快速发展，我国对碳纤维增强热塑性复合材料的市场需求逐步显示出巨大的发展空间，我们也欣喜地看到以苏州挪恩复合材料为首的民营企业率先走出了以研发引导市场的第一步。 “我们自主研发的热塑性碳纤维复合材料制造设备可以批量化供应碳纤维增强PEEK、PPS等一系列高性能热塑性碳纤维复合材料制品，以一款骨外科医疗用的碳纤维PEEK零部件产品为例，我们能比同类进口产品价格低30%以上”，正如苏州挪恩的研发组长所说，当技术质量达到了要求，当价格成本降到了市场能接受的范围，当科研成果很好地转化为生产力，国内的热塑性碳纤维复合材料发展将实现新的飞跃。与热固性碳纤维复合材料相比，热塑性碳纤维复合材料的优势表现于以下几个方面：一是可回收性，热塑性碳纤维复合材料在达到一定熔点后，可以实现二次成型，而热固性碳纤维复合材料不具备这种特性，无法实现回收利用；二是热固性碳纤维复合材料预浸料需要低温保存，而热塑性碳纤维复合材料在储存期、储存条件等方面没有要求；三是热塑性碳纤维复合材料制品在成型过程中与热固性碳纤维复合材料发生的反应不同，在成型周期上时间更短，生产效率相对更高。既然热塑性碳纤维复合材料的优势如此明显，那么其是否会取代热固性碳纤维复合材料呢？对此问题，答案是否定的，其认为有以下几个原因：首先，热塑性碳纤维复合材料与热固性碳纤维复合材料在应用场景上有一定的区别。热固性碳纤维从上世纪80年代至今，已经在一些领域取得了比较成熟的应用，例如，在体育运动和休闲领域。而且，碳纤维增强复合材料的应用主要着眼于产品需求，除了高强度、轻量化、耐腐蚀之外，耐磨性、阻燃性、导电性等等也都是必须考虑的重要参数。树脂基体不同，复合材料的性能表现也各不相同，热塑性碳纤维复合材料与热固性碳纤维复合材料具有重合的应用领域，也有各自相对独立的应用领域。其次，热塑性碳纤维复合材料的应用成本比热固性碳纤维复合材料要高。热塑性树脂基体种类很多，一些高端的热塑性树脂的价格是环氧树脂的数十倍。除了材料本身价格比较贵以外，热塑性碳纤维复合材料制品的制造成本也更高，因为热塑性树脂与连续性碳纤维的熔融比较难，技术要求高，工艺更复杂，所以，目前国内的热塑性碳纤维还是以粉末或者短切碳纤维增强的方式来应用的。再者，热塑性碳纤维复合材料的应用市场还处在孵化期，更多的应用领域还未显现。一直以来，囿于制造技术和应用成本，热塑性碳纤维复合材料主要用在航空航天领域，仅有少数几种热塑性碳纤维复合材料在汽车制造领域有所应用。可以说，热塑性碳纤维复合材料并未得到真正的、深入的、大范围的应用，热塑性碳纤维复合材料要想同热固性碳纤维复合材料那样在轨道车辆、工业制造、智能机械以及医疗设备中取得广泛的应用，还需要相当长的时间。作者简介：杨超凡，飞机制造高级专家，近年专攻民机复合材料。原航空工业部首批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。
