熱塑性碳纖維是碳纖維產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重要方向，因其高強的機械性能和可重塑加工的特性，對于熱塑性碳纖維產(chǎn)品的加工和重復(fù)利用可以發(fā)揮較大的作用。熱塑性碳纖維適用于航空航天等高端領(lǐng)域，其耐高溫性能更出色，應(yīng)用場景更全面?，F(xiàn)階段，可用于批量制備的熱塑性碳纖維種類并不多，包括CF/PEEK、CF/PPS、CF/PA等。
　
　　為了滿足航空航天等行業(yè)的實際使用需求，可能需要對以上復(fù)合材料進行一定的改性，比如增加其韌性等。想要增加熱塑性復(fù)合材料的韌性，可以從多個方面著手，比如添加增韌劑或加入其他增強體，也可以利用物理或化學(xué)方式對碳纖維表面進行改性增韌，還可以通過對成型工藝的調(diào)整促使復(fù)合材料達(dá)到增韌的效果。
　　
熱塑性碳纖維復(fù)合材料如何增韌？4種可行方案
 
　　1、增韌劑共混增韌：復(fù)合材料改性中，物理共混改性是最簡單和最常用的改性方法。熱塑性碳纖維復(fù)合材料的性能與碳纖維和熱塑性樹脂基體間的界面結(jié)合狀態(tài)密切相關(guān)。為了增加復(fù)合材料韌性，可加入一定的增韌劑，起到改善材料界面結(jié)合效果，提升復(fù)合材料的韌性的作用。
　　
　　馬來酸酐（MAH）可以與聚酰胺（PA）產(chǎn)生反應(yīng)增容，二者相容性好，由于MAH和PA良好的相容性，增韌劑能快速分散到PA基體中。研究表明，對于PA6/CF復(fù)合材料，增韌劑POE?g?MAH的加入可顯著提高復(fù)合材料的沖擊性能，沖擊強度從6.2kJ/m２提升至9.0kJ/m２，增韌效果明顯。
　　
　　不足之處：合理的增韌劑添加量有助于復(fù)合材料韌性的提升，但增韌劑含量的增加可能會導(dǎo)致粒徑過大和分散效果降低等問題，影響材料的其他力學(xué)性能，所以需控制增韌劑的合適添加。
　　
熱塑性碳纖維復(fù)合材料如何增韌？4種可行方案
 
　　2、增強體混雜增韌：在熱塑性碳纖維復(fù)合材料中添加除碳纖維和熱塑性樹脂外的其他增強體材料，如玻璃纖維（GF）、芳綸纖維（AF）和碳納米管等，來提升熱塑性碳纖維復(fù)合材料的韌性，同樣可以達(dá)到增韌的效果。
　　
　　實驗表明，將在PA66中加入CF、GF和POE?g?MAH,制備混雜纖維/POE?g?MAH復(fù)合增強PA66材料，當(dāng)玻璃纖維添加量為15%時，增韌效果最佳，比CF單獨填充沖擊強度提高了34.02%，提升效果明顯。制備CF/PET復(fù)合材料時，將芳綸纖維包覆其中進行改性，復(fù)合材料的沖擊強度提升顯著，包覆一層提升65.8%，包覆兩層提升45.6%，增韌效果提升明顯。
　　
　　有研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合了CF和埃洛石納米管（HNTs）2種增強材料的優(yōu)勢，研究了HNTs與CF協(xié)同增韌增強PA6的效果。力學(xué)性能測試結(jié)果表明，PA6/30%CF/10%HNTs具有最大沖擊強度8.9kJ/m2，HNTs對PA6/CF復(fù)合材料具有增韌效果，且HNTs與CF在增韌方面具有協(xié)同作用。
　　
熱塑性碳纖維復(fù)合材料如何增韌？4種可行方案
 
　　3、碳纖維表面處理：未經(jīng)改性處理的碳纖維脆性大表面惰性強，缺少活性基團，導(dǎo)致碳纖維與熱塑性樹脂基體的相容性差，界面結(jié)構(gòu)和性能受到影響。而通過對碳纖維的表面處理，可增加其表面化學(xué)活性、表面自由能或表面粗糙度，可幫助改善碳纖維與熱塑性基體間的潤濕程度，進而提高復(fù)合材料的綜合性能，包括其自身韌性。對于碳纖維表面的處理方式有多種，其中包括上漿劑處理、表面物理改性和表面化學(xué)改性。
　　
　　上漿劑對復(fù)合材料界面性能的提升可通過浸潤、黏附等物理作用及碳纖維表面大量活性基團與基體結(jié)合，產(chǎn)生共價鍵結(jié)合的化學(xué)作用實現(xiàn)。實驗數(shù)據(jù)顯示，己二酸等原料熔融縮聚合成熱塑性共聚酰胺，并將其配制成上漿劑（co?PA），對PA6/CF復(fù)合材料進行上漿改性。4%最佳上漿劑含量下，復(fù)合材料的界面剪切強度（IFSS）達(dá)37.6MPa,比未上漿PA6/CF提升了43.76%。
　　
　　碳纖維表面物理改性方法還有超聲分散、表面活性劑處理及電化學(xué)沉積法等。實驗數(shù)據(jù)顯示，用聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）對氧化石墨烯進行修飾（P?SG）并與CF混合超聲處理，使P?SG成功附著在CF表面得到PA6/C?SG復(fù)合材料。結(jié)論為改性復(fù)合材料的沖擊強度隨著碳纖維含量的增加而顯著增加，碳纖維含量為13%時的沖擊強度為36.52kJ/m2，沖擊性能提高了113.17%。
　　
　　碳纖維表面化學(xué)改性是將碳纖維放入溶液環(huán)境中，通過選擇性地修飾材料表面以賦予更多的活性基團，增加界面結(jié)合力；或用其他溶劑，改善CF表面的粗糙程度，以控制表面的化學(xué)性能，其中偶聯(lián)劑法是較為常用的化學(xué)改性方法之一。實驗數(shù)據(jù)顯示，用硅烷偶聯(lián)劑（KH550）對碳纖維進行表面化學(xué)改性，制備PA6/CF復(fù)合材料時，無缺口沖擊試驗結(jié)果改性碳纖維含量為20%時，PA6/CF的無缺口沖擊強度達(dá)最大值（18.5±0.6）kJ/m2，比未處理相應(yīng)含量高達(dá)52%。
　　
熱塑性碳纖維復(fù)合材料如何增韌？4種可行方案
 
　　4、加工成型工藝調(diào)控：熱塑性碳纖維復(fù)合材料板材的成型加工以及材料部件連接技術(shù)也是影響最終材料性能的重要影響因素。可通過控制材料成型過程中的成型溫度、成型壓力等，調(diào)控復(fù)合材料的界面結(jié)合情況，改變界面性能。
　　
　　成型溫度越高，樹脂基體黏度越低，流動性更好，對碳纖維的浸潤更完全，界面接觸面積增大，故同等裂紋擴展長度下，試樣撕裂所需要的載荷值越大，即Ⅰ型層間斷裂韌性越高。對于成型壓力，在高壓下，因分子鏈運動受阻，樹脂與基體無法更好浸潤，需選取適當(dāng)?shù)膲毫Τ尚蜅l件。適當(dāng)?shù)慕禍厮俾室嗫墒箯?fù)合材料的韌性得以提升。
　　
　　另外不同的成型方法對材料的最終力學(xué)等其他性能也有著顯著的影響。實驗數(shù)據(jù)表明，分別采用擠出/注射工藝和長纖維熱塑性塑料（LFT）/注射成型工藝的ABS/CF復(fù)合材料，并對比了2種工藝對材料的纖維長度分布、拉伸、沖擊等性能的影響。結(jié)果表明，ABS/L?CF復(fù)合材料中的最小CF長度約為ABS/E?CF復(fù)合材料中最大纖維長度的3倍。ABS/L?CF的沖擊強度ABS/ECF高約105%~155%。
　　
　　國內(nèi)外對于熱塑性碳纖維復(fù)合材料的研究從未停止，增加韌性只是其中的一個研究方向。作為前沿的新型復(fù)合材料，熱塑性碳纖維的潛力巨大，同樣將之轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)助力的難度也同樣巨大。熱塑性碳纖維的性能想要更完整更成熟的投入應(yīng)用，類似增韌等方向的研究就不可缺少，基礎(chǔ)足夠牢靠，碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展才能足夠牢固。